KR102684301B1 - Improved sulfur recovery operations with improved carbon dioxide recovery - Google Patents

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Abstract

사워 가스(sour gas) 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정으로서, 상기 공정은: 사워 가스 스트림을 멤브레인 분리 유닛에 제공하는 단계, 상기 사워 가스 스트림은 황화수소 및 이산화탄소를 포함하며; 농축물(retentate) 스트림 및 제1 투과물(permeate) 스트림을 얻기 위해 상기 멤브레인 분리 유닛에서 황화수소를 이산화탄소로부터 분리하는 단계, 여기서 상기 농축물 스트림은 황화수소를 포함하고, 여기서 상기 투과물 스트림은 이산화탄소를 포함하며; 황 스트림 및 테일 가스 스트림을 생성하기 위해 상기 농축물 스트림을 황 회수 유닛에서 처리하는 단계, 여기서 황 스트림은 액체 황을 포함하며; 상기 투과물 스트림을 아민 흡수 유닛에 도입하는 단계; 및 농축된 이산화탄소 스트림을 생성하기 위해 상기 투과물 스트림을 아민 흡수 유닛에서 처리하는 단계를 포함한다.A process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream, the process comprising: providing a sour gas stream to a membrane separation unit, the sour gas stream comprising hydrogen sulfide and carbon dioxide; separating hydrogen sulfide from carbon dioxide in the membrane separation unit to obtain a retentate stream and a first permeate stream, wherein the retentate stream comprises hydrogen sulfide and wherein the permeate stream comprises carbon dioxide. Contains; processing the concentrate stream in a sulfur recovery unit to produce a sulfur stream and a tail gas stream, wherein the sulfur stream comprises liquid sulfur; introducing the permeate stream to an amine absorption unit; and processing the permeate stream in an amine absorption unit to produce a concentrated carbon dioxide stream.

Description

개선된 이산화탄소 회수를 갖는 개선된 황 회수 작업Improved sulfur recovery operations with improved carbon dioxide recovery

기재된 시스템 및 방법은 황화수소 및 이산화탄소 회수를 개선하는 것에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 제공된 것은 조합된 아민 흡수 및 멤브레인 가스 분리 기술을 위한 시스템 및 방법이다.The described systems and methods relate to improving hydrogen sulfide and carbon dioxide recovery. More specifically, provided are systems and methods for combined amine absorption and membrane gas separation technology.

30 mol% 미만의 농도와 같은, 낮은 농도의 황화수소를 갖는 산성 가스 스트림은 클라우스(Claus) 유닛에서 문제를 야기할 수 있다. 낮은 농도의 황화수소는 클라우스 노에서 낮은 온도를 결과할 수 있다. 이러한 낮은 온도에서는, BTX, 메르캅탄, C2+ 탄화수소와 같은 오염 물질이 파괴될 수 없다. 파괴되지 않은 오염 물질은 클라우스 유닛의 다른 부분에서 촉매 비활성화를 초래할 수 있다.Acid gas streams with low concentrations of hydrogen sulfide, such as concentrations below 30 mol%, can cause problems in Claus units. Low concentrations of hydrogen sulfide can result in low temperatures in the Claus furnace. At these low temperatures, contaminants such as BTX, mercaptans, and C 2 + hydrocarbons cannot be destroyed. Contaminants that are not destroyed can cause catalyst deactivation in other parts of the Claus unit.

선택적 아민 흡수 기술은 클라우스 플랜트 피드의 황화수소 농도를 높이는데 사용될 수 있으나, 이러한 공정은 황화수소 농도를 증가시키는 제한된 결과와 함께 크고 비싼 컬럼을 요구하는 경향이 있다.Selective amine absorption techniques can be used to increase the hydrogen sulfide concentration of Claus plant feeds, but these processes tend to require large, expensive columns with limited results in increasing the hydrogen sulfide concentration.

기재된 시스템 및 방법은 황화수소 및 이산화탄소 회수를 개선하는 것에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 제공된 것은 조합된 아민 흡수 및 멤브레인 가스 분리 기술을 위한 시스템 및 방법이다.The described systems and methods relate to improving hydrogen sulfide and carbon dioxide recovery. More specifically, provided are systems and methods for combined amine absorption and membrane gas separation technology.

제1 관점에서, 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정이 제공된다. 상기 공정은: 사워 가스 스트림을 멤브레인 분리 유닛에 제공하는 단계, 상기 사워 가스 스트림은 황화수소 및 이산화탄소를 포함하며; 농축물(retentate) 스트림 및 제1 투과물(permeate) 스트림을 얻기 위해 상기 멤브레인 분리 유닛에서 황화수소를 이산화탄소로부터 분리하는 단계, 여기서 상기 농축물 스트림은 황화수소를 포함하고, 여기서 상기 투과물 스트림은 이산화탄소를 포함하며; 상기 농축물 스트림을 황 회수 유닛에 도입하는 단계; 황 스트림 및 테일 가스 스트림을 생성하기 위해 상기 농축물 스트림을 황 회수 유닛에서 처리하는 단계, 여기서 황 스트림은 액체 황을 포함하며; 상기 투과물 스트림을 아민 흡수 유닛에 도입하는 단계; 및 농축된 이산화탄소 스트림을 생성하기 위해 상기 투과물 스트림을 아민 흡수 유닛에서 처리하는 단계를 포함한다.In a first aspect, a process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream is provided. The process includes: providing a sour gas stream to a membrane separation unit, the sour gas stream comprising hydrogen sulfide and carbon dioxide; separating hydrogen sulfide from carbon dioxide in the membrane separation unit to obtain a retentate stream and a first permeate stream, wherein the retentate stream comprises hydrogen sulfide and wherein the permeate stream comprises carbon dioxide. Contains; introducing the concentrate stream into a sulfur recovery unit; processing the concentrate stream in a sulfur recovery unit to produce a sulfur stream and a tail gas stream, wherein the sulfur stream comprises liquid sulfur; introducing the permeate stream to an amine absorption unit; and processing the permeate stream in an amine absorption unit to produce a concentrated carbon dioxide stream.

적어도 하나의 구체예에 따르면, 농축물 스트림은 80 내지 95 mol%의 황화수소의 농도를 가질 수 있다. 멤브레인 분리 단계는 이산화탄소-선택적 멤브레인을 포함한다. 멤브레인 분리 유닛은 멤브레인을 포함하고, 여기서 상기 멤브레인은 적어도 10의 이산화탄소-황화수소 선택도 및 적어도 500 가스 투과 유닛(gpu)의 투과도(permeance)를 가질 수 있다. 상기 멤브레인은 퍼플루오로 중합체로부터 제조될 수 있다.According to at least one embodiment, the concentrate stream may have a concentration of hydrogen sulfide of 80 to 95 mol%. The membrane separation step involves a carbon dioxide-selective membrane. The membrane separation unit includes a membrane, wherein the membrane can have a carbon dioxide-hydrogen sulfide selectivity of at least 10 and a permeance of at least 500 gas permeation units (gpu). The membrane can be made from perfluoropolymer.

적어도 하나의 구체예에 따르면, 멤브레인 분리 유닛은 농축물-연속 배열(retentate-in-series configuration)의 2개의 멤브레인 단계를 포함한다. 적어도 또 다른 구체예에 따르면, 멤브레인 분리 유닛은 투과물-연속 배열(permeate-in-series configuration)의 2개의 멤브레인 단계를 포함한다.According to at least one embodiment, the membrane separation unit comprises two membrane stages in a retentate-in-series configuration. According to at least another embodiment, the membrane separation unit comprises two membrane stages in a permeate-in-series configuration.

제2 관점에서, 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정이 제공된다. 상기 공정은: 사워 가스 스트림을 선택적 아민 흡수 유닛에 제공하는 단계, 상기 사워 가스 스트림은 황화수소 및 이산화탄소를 포함하고; 농축된 이산화탄소 스트림 및 농축된 황화수소 스트림을 생성하기 위해 선택적 아민 흡수 유닛에서 황화수소를 이산화탄소로부터 분리하는 단계, 여기서 상기 농축된 이산화탄소 스트림은 이산화탄소를 포함하고; 상기 농축된 황화수소 스트림을 멤브레인 분리 유닛에 도입하는 단계, 여기서 상기 농축된 황화수소 스트림은 황화수소 및 이산화탄소를 포함하며; 농축물 스트림 및 투과물 스트림을 생성하기 위해 상기 멤브레인 분리 유닛에서 황화수소를 농축된 황화수소 스트림의 이산화탄소로부터 분리하는 단계; 상기 농축물 스트림을 황 회수 유닛에 도입하는 단계, 여기서 상기 농축물 스트림은 황화수소를 포함하며; 및 황 스트림 및 테일 가스 스트림을 생성하기 위해 황 회수 유닛에서 농축물 스트림을 처리하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 황 스트림은 액체 황을 포함한다.In a second aspect, a process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream is provided. The process includes: providing a sour gas stream to a selective amine absorption unit, the sour gas stream comprising hydrogen sulfide and carbon dioxide; separating hydrogen sulfide from carbon dioxide in a selective amine absorption unit to produce a concentrated carbon dioxide stream and a concentrated hydrogen sulfide stream, wherein the enriched carbon dioxide stream comprises carbon dioxide; introducing the concentrated hydrogen sulfide stream into a membrane separation unit, wherein the concentrated hydrogen sulfide stream comprises hydrogen sulfide and carbon dioxide; separating hydrogen sulfide from carbon dioxide in the concentrated hydrogen sulfide stream in the membrane separation unit to produce a retentate stream and a permeate stream; introducing the concentrate stream into a sulfur recovery unit, wherein the concentrate stream comprises hydrogen sulfide; and processing the concentrate stream in a sulfur recovery unit to produce a sulfur stream and a tail gas stream, wherein the sulfur stream comprises liquid sulfur.

적어도 하나의 구체예에 따르면, 상기 농축물 스트림에서의 황화수소 농도는 80 내지 95 mol%일 수 있다. 멤브레인 분리 단계는 이산화탄소-선택적 멤브레인을 포함한다. 상기 멤브레인 분리 유닛은 멤브레인을 포함하고, 여기서 상기 멤브레인은 적어도 10의 이산화탄소-황화수소 선택도 및 적어도 500 gpu의 투과도를 갖는다.According to at least one embodiment, the hydrogen sulfide concentration in the concentrate stream may be 80 to 95 mol%. The membrane separation step involves a carbon dioxide-selective membrane. The membrane separation unit includes a membrane, wherein the membrane has a carbon dioxide-hydrogen sulfide selectivity of at least 10 and a permeability of at least 500 gpu.

적어도 하나의 구체예에 따르면, 상기 멤브레인 분리 유닛은 퍼플루오로 중합체로부터 제조된 멤브레인을 포함한다. 적어도 또 다른 구체예에 따르면, 상기 테일 가스 스트림은 선택적 아민 흡수 유닛으로 재순환된다.According to at least one embodiment, the membrane separation unit comprises a membrane made from a perfluoropolymer. According to at least another embodiment, the tail gas stream is recycled to the selective amine absorption unit.

적어도 하나의 구체예에 따르면, 상기 멤브레인 분리 유닛은 농축물-연속 배열의 2개의 멤브레인 단계를 포함한다. 적어도 또 다른 구체예에 따르면, 상기 멤브레인 분리 유닛은 투과물-연속 배열의 2개의 멤브레인 단계를 포함한다.According to at least one embodiment, the membrane separation unit comprises two membrane stages in a retentate-continuous arrangement. According to at least another embodiment, the membrane separation unit comprises two membrane stages in a permeate-continuous arrangement.

제3 관점에서, 10 mol% 초과의 이산화탄소 및 황화수소 농도와 10 mol% 미만의 질소 농도를 갖는 제1 사워 가스 스트림 및 20 mol% 미만의 이산화탄소 및 황화수소 농도 또는 10 mol% 초과의 질소 농도를 갖는 제2 사워 가스 스트림의 두 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정이 제공된다. 상기 공정은: 제1 사워 가스 스트림을 멤브레인 분리 유닛에 도입하고 농축물 스트림 및 투과물 스트림을 얻기 위해 제1 사워 가스 스트림을 분리하는 단계, 상기 농축물 스트림은 황화수소를 포함하고 투과물 스트림은 이산화탄소를 포함하며; 상기 투과물 스트림 및 제2 사워 가스 스트림을 선택적 아민 흡수 유닛에 도입하고 회수된 황화수소 스트림 및 농축된 이산화탄소 스트림을 얻기 위해 아민 흡수 공정을 사용하는 단계, 상기 회수된 황화수소 스트림은 황화수소를 포함하고 농축된 이산화탄소 스트림은 이산화탄소를 포함하며; 상기 회수된 황화수소 스트림을 멤브레인 분리 유닛으로 재순환하는 단계; 및 상기 농축물 스트림을 황 회수 유닛에 도입하는 단계 및 황을 포함하는 황 스트림을 얻기 위해 상기 농축물 스트림을 클라우스 공정을 사용하여 처리하는 단계를 포함한다.In a third aspect, a first sour gas stream having a carbon dioxide and hydrogen sulfide concentration greater than 10 mol% and a nitrogen concentration less than 10 mol% and a first sour gas stream having a carbon dioxide and hydrogen sulfide concentration less than 20 mol% or a nitrogen concentration greater than 10 mol%. A process is provided for recovering sulfur and carbon dioxide from two sour gas streams. The process includes: introducing a first sour gas stream into a membrane separation unit and separating the first sour gas stream to obtain a retentate stream and a permeate stream, the retentate stream comprising hydrogen sulfide and the permeate stream comprising carbon dioxide. Includes; Introducing the permeate stream and the second sour gas stream to a selective amine absorption unit and using the amine absorption process to obtain a recovered hydrogen sulfide stream and a concentrated carbon dioxide stream, the recovered hydrogen sulfide stream comprising hydrogen sulfide and a concentrated carbon dioxide stream. The carbon dioxide stream includes carbon dioxide; recycling the recovered hydrogen sulfide stream to a membrane separation unit; and introducing the concentrate stream into a sulfur recovery unit and processing the concentrate stream using a Claus process to obtain a sulfur stream comprising sulfur.

적어도 하나의 구체예에 따르면, 황 회수 유닛에 도입되는 농축물 스트림은 80 내지 95 mol%의 황화수소를 포함한다. 적어도 하나의 구체예에 따르면, 상기 멤브레인 분리 유닛은 농축물-연속 배열의 2개의 멤브레인 단계를 포함한다. 적어도 또 다른 구체예에 따르면, 상기 멤브레인 분리 유닛은 투과물-연속 배열의 2개의 멤브레인 단계를 포함한다.According to at least one embodiment, the concentrate stream entering the sulfur recovery unit comprises 80 to 95 mol% hydrogen sulfide. According to at least one embodiment, the membrane separation unit comprises two membrane stages in a retentate-continuous arrangement. According to at least another embodiment, the membrane separation unit comprises two membrane stages in a permeate-continuous arrangement.

상기 멤브레인 분리 유닛은 퍼플루오로 중합체로 제조된 멤브레인을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 구체예에 따르면, 상기 멤브레인 분리 유닛은 적어도 10의 이산화탄소-황화수소 선택도 및 적어도 500 gpu의 투과도를 갖는 멤브레인을 포함한다. 적어도 하나의 구체예에 따르면, 상기 제2 사워 가스 스트림은 5 내지 50 mol%의 질소를 포함한다.The membrane separation unit may include a membrane made of perfluoropolymer. According to at least one embodiment, the membrane separation unit comprises a membrane having a carbon dioxide-hydrogen sulfide selectivity of at least 10 and a permeability of at least 500 gpu. According to at least one embodiment, the second sour gas stream comprises 5 to 50 mol% nitrogen.

본 구체예의 이들 및 다른 특징, 관점 및 이점은 다음의 설명, 청구 범위 및 첨부된 도면과 관련하여 보다 잘 이해될 것이다. 그러나, 도면은 몇몇 구체예만을 예시하고 따라서 다른 동등하고 효과적인 구체예를 허용할 수 있기 때문에 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 점에 유의해야 한다.
도 1은 다양한 멤브레인 물질에 대한 이산화탄소-황화수소 선택도 및 이산화탄소 투과도의 플롯이다.
도 2는 멤브레인 분리 유닛의 다양한 멤브레인 단계 배열의 예시이다.
도 3은 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 다양한 공정 및 시스템 배열의 예시이다.
도 4는 선택적 아민 흡수 유닛에 대한 피드 가스 내의 황화수소의 함수로서의 황화수소-농축된 산성 가스 내 황화수소 농도의 플롯이다.
도 5는 사워 가스가 멤브레인 분리 유닛에 공급되는 2-단계 농축물-연속 멤브레인 단계 배열을 사용하는 공정 및 시스템의 구체예의 예시이다.
도 6은 사워 가스가 멤브레인 분리 유닛 및 선택적 아민 흡수 유닛에 공급되는 2-단계 투과물-연속 멤브레인 단계 배열을 사용하는 공정 및 시스템의 구체예의 예시이다.
도 7은 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 두 공정의 예시 및 비교이며, 이 중 하나는 멤브레인 분리 단계를 갖고 다른 하나는 멤브레인 분리 단계가 없다.
도 8은 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위해 2-단계 농축물-연속 멤브레인 단계 배열 및 선택적 아민 흡수 유닛을 사용하는 공정 및 시스템의 구체예의 예시이다.
도 9는 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위해 선택적 아민 흡수 유닛을 갖는 2-단계 투과물-연속 멤브레인 단계 배열을 사용하는 공정 및 시스템의 구체예의 예시이다.
These and other features, aspects and advantages of the present embodiments will be better understood in conjunction with the following description, claims and accompanying drawings. However, it should be noted that the drawings illustrate only a few embodiments and therefore should not be considered limiting in scope as other equally effective embodiments may be permissible.
Figure 1 is a plot of carbon dioxide-hydrogen sulfide selectivity and carbon dioxide permeability for various membrane materials.
Figure 2 is an illustration of various membrane stage arrangements of a membrane separation unit.
3 is an illustration of various process and system arrangements for recovering sulfur and carbon dioxide from sour gas streams.
Figure 4 is a plot of hydrogen sulfide concentration in hydrogen sulfide-enriched acid gas as a function of hydrogen sulfide in the feed gas for a selective amine absorption unit.
Figure 5 is an illustration of an embodiment of the process and system using a two-stage retentate-continuous membrane stage arrangement where sour gas is fed to the membrane separation unit.
Figure 6 is an illustration of an embodiment of the process and system using a two-stage permeate-continuous membrane stage arrangement in which sour gas is fed to a membrane separation unit and a selective amine absorption unit.
Figure 7 is an illustration and comparison of two processes for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream, one with a membrane separation step and the other without a membrane separation step.
8 is an illustration of an embodiment of a process and system using a two-stage retentate-continuous membrane stage arrangement and a selective amine absorption unit to recover sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream.
9 is an illustration of an embodiment of a process and system using a two-stage permeate-continuous membrane stage arrangement with a selective amine absorption unit to recover sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream.

여러 구체예가 기재될 것이지만, 관련 분야의 통상의 기술자는 본원에 기재된 장치 및 방법에 대한 많은 예, 변형 및 변경이 본 구체예의 범위 및 사상 내에 있음을 이해한다. 따라서, 본원에 기재된 예시적인 구체예는 청구된 구체예에 대한 일반성의 손실 없이, 및 제한의 부과 없이 설명된다.Although several embodiments will be described, those skilled in the art will understand that many examples, modifications and variations of the devices and methods described herein are within the scope and spirit of the present embodiments. Accordingly, the exemplary embodiments described herein are described without loss of generality and without imposing limitations on the claimed embodiments.

본원에 기재된 구체예는 농축된 황화수소 가스 스트림 및 농축된 이산화탄소 가스 스트림을 생성하기 위한 멤브레인 분리 유닛 및 아민 흡수 공정을 모두 함유하는 하이브리드 공정 및 시스템에 관한 것이다. 유리하게는, 하이브리드 공정은 통상적인 공정과 비교하여 향상된 효율성 및 경제성을 갖는 전체 황 회수 공정을 초래한다. 유리하게는, 본원에 기재된 공정 및 시스템은 황 회수 유닛에 대해 농축된 황화수소 스트림을 초래하는 이산화탄소를 제거할 수 있으며, 이는 클라우스 플랜트의 테일 가스 처리 공정에서의 이산화탄소의 양을 감소시킬 수 있으며, 테일 가스 처리 공정의 가동을 위한 복잡성 및 비용을 감소시킨다. 유리하게는, 멤브레인 분리 유닛 및 아민 흡수 공정의 조합은 클라우스 플랜트 피드가 높은 농도의 이산화탄소를 갖는 경우의 클라우스 플랜트 내 재순환 가스로 인해 이산화탄소의 축적을 감소 또는 제거할 수 있다. 유리하게는, 멤브레인 분리 유닛 및 아민 흡수 공정의 조합은 개선된 황 회수 및 감소된 자본 지출을 초래하는 테일 가스 처리 내의 흡수 공정의 사용을 제거할 수 있다. 유리하게는, 멤브레인 분리 유닛 및 아민 흡수 공정의 조합은 아민 흡수 공정 단독의 사용과 비교하여 향상된 오일 회수 작업 및 보다 효율적인 이산화탄소의 격리에서의 사용을 위한 이산화탄소의 증가된 회수를 초래한다. 유리하게는, 아민 흡수 공정에 대한 피드로부터 오염 물질의 제거는 아민 흡수 공정에서 발포 및 다른 작동성 문제를 감소시키거나 제거할 수 있다. 유리하게는, 멤브레인 분리 유닛 및 아민 흡수 공정은 클라우스 유닛 작동성 및 효율성을 개선하여 개선된 황 회수 및 소각로 스택으로부터의 최소화된 이산화황 방출을 초래한다. 유리하게는, 멤브레인 분리 유닛 및 아민 흡수 공정의 조합을 통해 이산화탄소를 제거하는 것은 클라우스 유닛의 노의 오염 물질의 증가된 파괴 및 개선된 효율성을 초래한다.Embodiments described herein relate to hybrid processes and systems containing both an amine absorption process and a membrane separation unit to produce a concentrated hydrogen sulfide gas stream and a concentrated carbon dioxide gas stream. Advantageously, the hybrid process results in an overall sulfur recovery process with improved efficiency and economy compared to conventional processes. Advantageously, the processes and systems described herein can remove carbon dioxide resulting in a concentrated hydrogen sulfide stream for the sulfur recovery unit, which can reduce the amount of carbon dioxide in the tail gas treatment process of the Claus plant, and can reduce the amount of carbon dioxide in the tail gas treatment process of the Claus plant. Reduces the complexity and cost of operating gas treatment processes. Advantageously, the combination of a membrane separation unit and an amine absorption process can reduce or eliminate the accumulation of carbon dioxide due to recycle gas in the Claus plant when the Claus plant feed has high concentrations of carbon dioxide. Advantageously, the combination of a membrane separation unit and an amine absorption process can eliminate the use of an absorption process in tail gas treatment resulting in improved sulfur recovery and reduced capital expenditure. Advantageously, the combination of a membrane separation unit and an amine absorption process results in increased recovery of carbon dioxide for use in improved oil recovery operations and more efficient sequestration of carbon dioxide compared to the use of the amine absorption process alone. Advantageously, removal of contaminants from the feed to the amine absorption process can reduce or eliminate foaming and other operational problems in the amine absorption process. Advantageously, the membrane separation unit and amine absorption process improve Claus unit operability and efficiency resulting in improved sulfur recovery and minimized sulfur dioxide emissions from the incinerator stack. Advantageously, removing carbon dioxide through a combination of a membrane separation unit and an amine absorption process results in improved efficiency and increased destruction of contaminants in the furnace of the Claus unit.

본원에 사용된 바와 같은 "황의 전체 회수" 또는 "황 회수"는 산성 가스 피드 스트림에 존재하는 황의 양에 기초한 감소된 황의 퍼센트를 지칭한다. 99.0%의 회수는 산성 가스 피드 스트림 내의 황의 99.0%가 회수된 황 스트림의 일부로 회수됨을 의미한다.As used herein, “total recovery of sulfur” or “sulfur recovery” refers to the percent reduced sulfur based on the amount of sulfur present in the acid gas feed stream. Recovery of 99.0% means that 99.0% of the sulfur in the acid gas feed stream is recovered as part of the recovered sulfur stream.

본원에 사용된 바와 같이, 동사로서 "투과하다"는 멤브레인 유닛의 멤브로인을 통해 퍼지거나 유동하거나 통과하는 것을 의미한다. 예를 들어, 액체 및 가스는 멤브레인을 투과할 수 있다. 명사로서, 투과물은 멤브레인 유닛의 멤브레인을 투과한 액체 및 가스를 지칭한다. As used herein, “permeate” as a verb means to spread, flow, or pass through the membrane of a membrane unit. For example, liquids and gases can permeate the membrane. As a noun, permeate refers to liquids and gases that have passed through the membrane of a membrane unit.

멤브레인 분리 생산성은 플럭스 또는 멤브레인을 통한 투과물의 체적 흐름(시간 당 면적 당 부피의 단위)에 의해 기재된다. 멤브레인의 투과도는 멤브레인을 가로지르는 압력(또는 트랜스멤브레인 압력)의 평균 차이에 대한 플럭스 민감도를 지칭한다. 멤브레인의 분리력의 유용한 측정은 이의 선택도(aij)이며, 이는 투과물 스트림 내의 성분 i 및 j의 상대 농도 대 피드 스트림 내의 성분의 비이다. 관례에 따라, 멤브레인을 보다 많이 통과하는 성분은 선택도 계수가 1을 초과하도록 성분 i로 지정된다. 멤브레인의 선택도는 식 1에 나타난 바와 같이 각 성분에 대해 확산 계수, Di 및 Dj, 및 가스 흡착 계수, Ki 및 Kj를 사용하여 결정될 수 있다. Membrane separation productivity is described by the flux or volumetric flow of permeate through the membrane (unit of volume per area per time). The permeability of a membrane refers to the flux sensitivity to the average difference in pressure across the membrane (or transmembrane pressure). A useful measure of the separating power of a membrane is its selectivity (a ij ), which is the ratio of the relative concentrations of components i and j in the permeate stream to the components in the feed stream. By convention, the component that passes more through the membrane is designated component i such that the selectivity coefficient exceeds 1. The selectivity of the membrane can be determined using the diffusion coefficients, D i and D j , and the gas adsorption coefficients, K i and K j , for each component as shown in Equation 1.

식 1 Equation 1

두 성분에 대한 확산 계수의 비는 이동도 선택도로 지칭되고, 흡착 계수의 비는 흡착 선택도로 지칭된다. 중합체 멤브레인의 경우, 보다 작은 분자는 일반적으로 큰 분자보다 쉽게 확산되며, 이는 보다 큰 확산 계수를 초래한다. 반면, 보다 작은 분자는 일반적으로 보다 작은 흡착 계수를 초래하는데, 이는 이들이 보다 큰 분자에 비해 덜 응축 가능하기 때문이다. 분리될 두 성분이 황화수소 및 이산화탄소인 경우, 이동도 선택도는 황화수소(3.6 Å의 동적 직경)보다 이산화탄소(3.3 Å의 동적 직경)를 선호하고, 흡착 선택도는 이산화탄소보다 황화수소를 선호한다.The ratio of diffusion coefficients for two components is referred to as mobility selectivity, and the ratio of adsorption coefficients is referred to as adsorption selectivity. For polymer membranes, smaller molecules generally diffuse more easily than larger molecules, resulting in larger diffusion coefficients. On the other hand, smaller molecules generally result in smaller adsorption coefficients because they are less condensable than larger molecules. When the two components to be separated are hydrogen sulfide and carbon dioxide, the mobility selectivity favors carbon dioxide (dynamic diameter of 3.3 Å) over hydrogen sulfide (dynamic diameter of 3.6 Å), and the adsorption selectivity favors hydrogen sulfide over carbon dioxide.

일반적으로, 황화수소-선택적 멤브레인에 대한 흡착 선택도 항은 이동도 선택도 항보다 우세하며, 이산화탄소-선택적 멤브레인에 대하여 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 황화수소-선택적 멤브레인의 유형의 예는 고무질 극성 멤브레인을 포함한다. 이산화탄소-선택적 멤브레인의 예는 유리질 소수성 중합체를 포함한다. 도 1은 다양한 물질에 대한 투과도 및 선택도의 로그 플롯을 나타낸다. 상기 플롯은 퍼플루오르화된 계열의 중합체가 적합한 이산화탄소 투과도와 조합된 적합한 이산화탄소/황화수소 선택도를 갖는다는 것을 나타낸다. 이러한 물질로 제조된 멤브레인은 본 개시에 기재된 공정에서의 사용에 특히 적합하다.In general, the adsorption selectivity term dominates the mobility selectivity term for hydrogen sulfide-selective membranes, and vice versa for carbon dioxide-selective membranes. Examples of types of hydrogen sulfide-selective membranes include rubbery polar membranes. Examples of carbon dioxide-selective membranes include glassy hydrophobic polymers. Figure 1 shows log plots of permeability and selectivity for various materials. The plot shows that the perfluorinated series of polymers has suitable carbon dioxide/hydrogen sulfide selectivity combined with suitable carbon dioxide permeability. Membranes made from these materials are particularly suitable for use in the processes described in this disclosure.

몇몇 구체예에서, 멤브레인은 적어도 10의 이산화탄소/황화수소 선택도 및 적어도 500 gpu의 이산화탄소 투과도를 가질 수 있다. 몇몇 경우, 20의 이산화탄소/황화수소 선택도를 갖는 멤브레인이 사용된다. 몇몇 경우, 30의 이산화탄소/황화수소 선택도를 갖는 멤브레인이 사용된다. 몇몇 경우, 멤브레인은 약 10 내지 30의 이산화탄소/황화수소 선택도를 가질 수 있다.In some embodiments, the membrane can have a carbon dioxide/hydrogen sulfide selectivity of at least 10 and a carbon dioxide permeability of at least 500 gpu. In some cases, membranes with a carbon dioxide/hydrogen sulfide selectivity of 20 are used. In some cases, membranes with a carbon dioxide/hydrogen sulfide selectivity of 30 are used. In some cases, the membrane may have a carbon dioxide/hydrogen sulfide selectivity of about 10 to 30.

멤브레인 단계는 다양한 배열의 하나 또는 다중 멤브레인 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다양한 멤브레인 단계 배열은 도 2에 도시되고; 단일-패스 멤브레인 배열은 도 2a에; 투과물-연속의 2-단계 배열은 도 2b에; 농축물 연속 2-단계 배열은 도 2c에 도시된다.The membrane stage may comprise one or multiple membrane modules in various arrangements. For example, various membrane stage arrangements are shown in Figure 2; A single-pass membrane arrangement is shown in Figure 2a; A permeate-continuous two-stage arrangement is shown in Figure 2b; The concentrate sequential two-stage arrangement is shown in Figure 2c.

도 2a는 단일 멤브레인 단계를 갖는 가장 간단한 배열이다. 도 2a에서, 피드-가스 스트림(201)은 압축된 피드-가스 스트림(208)을 얻기 위해 제1 압축기(205)에서 압축된다. 압축된 피드-가스 스트림(208)은 단일-패스 멤브레인 단계(210)로 공급되며, 여기서 단일-패스 농축물 스트림(211) 및 단일-패스 투과물 스트림(212)을 얻기 위해 이산화탄소-선택적 멤브레인으로 도입되고; 상기 단일-패스 농축물 스트림(211) 및 단일-패스 투과물 스트림(212)은 각각 황화수소 및 이산화탄소가 풍부하다. Figure 2a is the simplest arrangement with a single membrane stage. 2A, feed-gas stream 201 is compressed in a first compressor 205 to obtain compressed feed-gas stream 208. The compressed feed-gas stream 208 is fed to a single-pass membrane stage 210 where it is passed to a carbon dioxide-selective membrane to obtain a single-pass retentate stream 211 and a single-pass permeate stream 212. introduced; The single-pass concentrate stream 211 and single-pass permeate stream 212 are rich in hydrogen sulfide and carbon dioxide, respectively.

도 2b는 제1 단계로부터의 투과물이 다음 단계로 공급되는 2 멤브레인 단계를 포함한다. 도 2b에서, 피드-가스 스트림(201)은 압축된 피드-가스 스트림(208)을 얻기 위해 제1 압축기(205)에서 압축된다. 압축된 피드-가스 스트림(208)은 제1-단계 피드-가스 스트림(209)을 얻기 위해 제2 투과물-연속 멤브레인 단계(230)로부터의 제2 투과물-연속 농축물 스트림(231)과 조합된다. 제1-단계 피드-가스 스트림(209)은 제1 투과물-연속 멤브레인 단계(220)에 도입되고, 여기서 제1 투과물-연속 농축물 스트림(221) 및 제1 투과물-연속 투과물 스트림(22)을 얻기 위해 이산화탄소-선택적 멤브레인을 사용하여 분리되며; 상기 제1 투과물-연속 농축물 스트림(221) 및 제1 투과물-연속 투과물 스트림(222)은 각각 황화수소 및 이산화탄소가 풍부하다. 제1 투과물-연속 투과물 스트림(222)은 제2 압축기(225)에서 압축되고 그 후 투과물-연속 멤브레인 단계(230)에 도입되며, 여기서 제2 투과물-연속 투과물 스트림(231) 및 제2 투과물-연속 투과물 스트림(232)을 얻기 위해 이산화탄소-선택적 멤브레인을 사용하여 분리되고; 상기 제2 투과물-연속 농축물 스트림(231) 및 제2 투과물-연속 투과물 스트림(232)은 각각 황화수소 및 이산화탄소가 풍부하다. 제2 투과물-연속 투과물 스트림(231)은 이후 압축된 피드-가스 스트림(208)과 조합된다.Figure 2b includes two membrane stages where the permeate from the first stage is fed to the next stage. In Figure 2b, feed-gas stream 201 is compressed in a first compressor 205 to obtain compressed feed-gas stream 208. The compressed feed-gas stream 208 is combined with a second permeate-continuous retentate stream 231 from the second permeate-continuous membrane stage 230 to obtain a first-stage feed-gas stream 209. are combined. The first-stage feed-gas stream 209 is introduced into a first permeate-continuous membrane stage 220, wherein a first permeate-continuous retentate stream 221 and a first permeate-continuous permeate stream (22) is separated using a carbon dioxide-selective membrane to obtain; The first permeate-continuous retentate stream 221 and first permeate-continuous permeate stream 222 are rich in hydrogen sulfide and carbon dioxide, respectively. The first permeate-continuous permeate stream 222 is compressed in a second compressor 225 and then introduced into a permeate-continuous membrane stage 230, wherein the second permeate-continuous permeate stream 231 and a second permeate - separated using a carbon dioxide-selective membrane to obtain a continuous permeate stream (232); The second permeate-continuous retentate stream 231 and the second permeate-continuous permeate stream 232 are rich in hydrogen sulfide and carbon dioxide, respectively. Second permeate-continuous permeate stream 231 is then combined with compressed feed-gas stream 208.

도 2c는 제1 단계로부터의 농축물이 다음 단계로 공급되는 2 멤브레인 단계를 포함한다. 도 2c에서, 피드-가스 스트림(201)은 압축된 피드-가스 스트림(208)을 얻기 위해 제1 압축기(205)에서 압축되며, 이는 이것이 제1 농축물-연속 투과물 스트림(241) 및 제1 농축물-연속 농축물 스트림(242)을 얻기 위해 이산화탄소-선택적 멤브레인을 사용하여 분리되는 제1 농축물-연속 멤브레인 단계(240)에 공급되며; 상기 제1 농축물-연속 투과물 스트림(241) 및 제1 농축물-연속 농축물 스트림(242)은 각각 이산화탄소 및 황화수소가 풍부하다. 제1 농축물-연속 농축물 스트림(242)은 이후 제2 농축물-연속 멤브레인 단계(250)에 도입되고, 여기서 제2 농축물-연속 투과물 스트림(251) 및 제2 농축물-연속 농축물 스트림(252)을 얻기 위해 이산화탄소-선택적 멤브레인을 사용하여 분리되며; 제2 농축물-연속 투과물 스트림(251) 및 제2 농축물-연속 농축물 스트림(252)은 각각 이산화탄소 및 황화수소가 풍부하다. 제2 농축물-연속 투과물 스트림(251)은 피드-가스 스트림(201)과 조합되고 상기 공정을 통해 재순환된다.Figure 2c includes two membrane stages where the concentrate from the first stage is fed to the next stage. 2C, the feed-gas stream 201 is compressed in a first compressor 205 to obtain a compressed feed-gas stream 208, which is divided into a first retentate-continuous permeate stream 241 and a second is fed to a first concentrate-continuous membrane stage (240) where it is separated using a carbon dioxide-selective membrane to obtain a concentrate-continuous concentrate stream (242); The first retentate-continuous permeate stream 241 and the first retentate-continuous retentate stream 242 are rich in carbon dioxide and hydrogen sulfide, respectively. The first retentate-continuous retentate stream 242 is then introduced into a second retentate-continuous membrane stage 250, wherein the second retentate-continuous permeate stream 251 and the second retentate-continuous retentate are combined. separated using a carbon dioxide-selective membrane to obtain a water stream (252); The second retentate-continuous permeate stream 251 and the second retentate-continuous retentate stream 252 are rich in carbon dioxide and hydrogen sulfide, respectively. The second retentate-continuous permeate stream 251 is combined with the feed-gas stream 201 and recycled through the process.

다양한 배열을 예시하기 위해, 실시예가 10 vol% 황화수소 및 90 vol% 이산화탄소를 함유하는 피드 가스를 갖는 도 2에 도시된 3개의 배열을 사용하여 시뮬레이션되었다. 멤브레인 모듈은 90 vol% 황화수소를 함유하는 농축된 사워 가스를 생성하기에 충분한 멤브레인을 갖는 것으로 가정되었다. 멤브레인은 500 gpu의 이산화탄소 투과도, 50 gpu의 황화수소 투과도, 및 20 gpu의 질소 투과도를 갖는 것으로 가정된다. 이들 파라미터는 전형적으로 약 10의 이산화탄소-황화수소 선택도, 및 약 25의 이산화탄소-질소 선택도를 초래한다. To illustrate various configurations, an example was simulated using the three configurations shown in Figure 2 with feed gases containing 10 vol% hydrogen sulfide and 90 vol% carbon dioxide. The membrane module was assumed to have sufficient membrane to produce concentrated sour gas containing 90 vol% hydrogen sulfide. The membrane is assumed to have a carbon dioxide permeability of 500 gpu, a hydrogen sulfide permeability of 50 gpu, and a nitrogen permeability of 20 gpu. These parameters typically result in a carbon dioxide-hydrogen sulfide selectivity of about 10, and a carbon dioxide-nitrogen selectivity of about 25.

시뮬레이션은 단일-패스 멤브레인 배열이 가장 적은 멤브레인 면적 및 압축력을 요구하나, 또한 피드 가스로부터의 가장 적은 양의 황화수소(피드 가스로부터 회수된 53%의 황화수소; 표 1)를 회수함을 제안하였다. 투과물 연속을 갖는 2-단계 배열은 피드 가스로부터 가장 많은 황화수소를 회수하였으나, 상당히 큰 멤브레인 면적 및 이론적인 압축기 전력을 요구하였다(표 2). 2-단계 농축물-연속 배열은 단일-패스 멤브레인 배열과 2-단계 투과물-연속 배열 사이의 중간 황화수소 회수를 결과하였으며, 중간 멤브레인 면적 및 이론적 압축기 전력을 가졌다(표 3). 상기 배열은 사용 가능한 자원 및 원하는 결과에 따라 달라질 수 있다.Simulations suggested that the single-pass membrane arrangement required the least membrane area and compression force, but also recovered the lowest amount of hydrogen sulfide from the feed gas (53% of hydrogen sulfide recovered from the feed gas; Table 1). The two-stage arrangement with permeate continuation recovered the most hydrogen sulfide from the feed gas, but required significantly larger membrane areas and theoretical compressor power (Table 2). The two-stage retentate-continuous arrangement resulted in hydrogen sulfide recovery intermediate between the single-pass membrane arrangement and the two-stage permeate-continuous arrangement, with intermediate membrane area and theoretical compressor power (Table 3). The arrangement may vary depending on available resources and desired results.

스트림 조성: 단일-패스 멤브레인 배열* Stream composition: single-pass membrane arrangement * 압력
(bar)b
enter
(bar) b
H2S (mol%)H 2 S (mol%) CO2
(mol%)
CO2
(mol%)
유량
(mmscfd)
flux
(mmscfd)
피드-가스 스트림(201)Feed-gas stream (201) 10.010.0 10.010.0 90.090.0 1.01.0 단일-패스 농축물 스트림(211)Single-Pass Concentrate Stream (211) 10.010.0 90.090.0 10.010.0 0.0590.059 단일-패스 투과물 스트림(212)Single-pass permeate stream (212) 1.01.0 5.05.0 95.095.0 0.9410.941 a* 132 m2의 멤브레인 면적 및 116 kWe의 이론적 압축기 전력을 사용함.
b 절대 압력
a* Using a membrane area of 132 m 2 and a theoretical compressor power of 116 kWe.
b absolute pressure

스트림 조성: 2-단계 투과물-연속 배열a Stream composition: two-stage permeate-continuous arrangement a 압력
(bar)b
enter
(bar) b
H2S
(mol%)
H2S
(mol%)
CO2
(mol%)
CO2
(mol%)
유량
(mmscfd)
flux
(mmscfd)
피드-가스 스트림(201)Feed-gas stream (201) 1.01.0 10.010.0 90.090.0 1.01.0 제1-단계 피드-가스 스트림(209)First-stage feed-gas stream (209) 10.010.0 10.010.0 90.090.0 1.741.74 제1 PIS 농축물 스트림(221)First PIS concentrate stream (221) 10.010.0 90.090.0 10.010.0 0.1030.103 제1 PIS 연속 투과물 스트림(222)First PIS continuous permeate stream (222) 1.01.0 5.05.0 95.095.0 1.631.63 제2 PIS 농축물 스트림(231)Second PIS concentrate stream (231) 10.010.0 10.010.0 90.090.0 0.740.74 제2 PIS 투과물 스트림(232)Second PIS permeate stream (232) 1.01.0 0.810.81 99.299.2 0.900.90 PIS, 투과물-연속(permeate-in-series)
a 제 PIS 멤브레인 단계(220)에서의 227의 누적 면적; 및 각각 제1 및 제2 압축기(205 및 225)에 전력을 공급하기 위해 112 kWe 및 231 kWe의 이론적 압축기 전력을 사용함.
b 절대 압력
PIS, permeate-in-series
a Cumulative area of 227 in the first PIS membrane stage 220; and using theoretical compressor powers of 112 kWe and 231 kWe to power the first and second compressors 205 and 225, respectively.
b absolute pressure

스트림 조성: 2-단계 농축물-연속(RIS) 배열a Stream Composition: Two-Stage Concentrate-Continuous (RIS) Configuration a 압력
(bar)b
enter
(bar) b
H2S
(mol%)
H2S
(mol%)
CO2
(mol%)
CO2
(mol%)
유량 (mmscfd)Flow rate (mmscfd)
피드-가스 스트림(201)Feed-gas stream (201) 1.01.0 10.010.0 90.090.0 1.001.00 압축된 피드-가스 스트림(208)Compressed Feed-Gas Stream (208) 10.010.0 10.610.6 89.589.5 1.441.44 제1 RIS 농축물 스트림(242)First RIS concentrate stream (242) 10.010.0 25.025.0 75.075.0 0.530.53 제1 RIS 투과물 스트림(241)First RIS permeate stream (241) 1.01.0 2.052.05 98.098.0 0.910.91 제2 RIS 농축물 스트림(252)Second RIS concentrate stream (252) 10.010.0 90.090.0 10.010.0 0.090.09 제2 RIS 투과물 스트림(251)Second RIS permeate stream (251) 1.01.0 11.711.7 86.386.3 0.440.44 RIS, 농축물-연속(retentate-in-series)
a 각각 제1 및 제2 RIS 멤브레인 단계(240 및 250)에서 105 및 88 m2의 멤브레인 면적; 및 165 kWe의 이론적 압축기 전력을 사용함.
b 절대 압력
RIS, retentate-in-series
a Membrane areas of 105 and 88 m 2 in the first and second RIS membrane stages 240 and 250, respectively; and with a theoretical compressor power of 165 kWe.
b absolute pressure

도 3은 사워 가스 스트림을 분리하기 위한 여러 공정의 예시이며, 각 공정은 상이한 위치에서 도입되는 사워 가스를 갖는다. 도 3a를 참조하면, 제1 사워 가스 스트림(301)은 압축기(305)로 도입되고, 여기서 압축된 사워 가스 스트림(309)을 얻기 위해 압축된다. 압축된 사워 가스 스트림(309)은 이후 멤브레인 분리 유닛(310)에 도입된다. 제1 사워 가스 스트림(301)은 산성 가스를 함유하는 가스 스트림을 생성하는 임의의 소스로부터 유래할 수 있다. 제1 사워 가스 스트림(301)은 산성 가스 및 오염 물질을 포함할 수 있다. 제1 사워 가스 스트림(301) 내의 산성 가스는 황화수소, 이산화탄소 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 사워 가스 스트림(301) 내의 오염 물질은 BTX, 카르보닐 설파이드(COS), 이황화탄소(CS2), 티올(R-SH), 물, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. BTX는 벤젠, 톨루엔, 크실렌 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 구체예에서, 제1 사워 가스 스트림(301)은 황화수소, 이산화탄소, BTX, COS, CS2, R-SH, 물 및 이들의 조합을 함유한다. 제1 사워 가스 스트림(301) 내의 황화수소의 양은 20 mol% 내지 55 mol%, 대안적으로 20 mol% 내지 50 mol%, 및 대안적으로 20 mol% 내지 25 mol%이다. 적어도 하나의 구체예에서, 제1 사워 가스 스트림(301) 내의 황화수소의 양은 20 mol% 내지 25 mol%이다. Figure 3 is an illustration of several processes for separating sour gas streams, each process having the sour gas introduced at a different location. Referring to Figure 3A, first sour gas stream 301 is introduced into compressor 305, where it is compressed to obtain compressed sour gas stream 309. The compressed sour gas stream 309 is then introduced into a membrane separation unit 310. The first sour gas stream 301 may originate from any source that produces a gas stream containing acid gas. The first sour gas stream 301 may include acid gases and contaminants. Acid gases in the first sour gas stream 301 may include hydrogen sulfide, carbon dioxide, and combinations thereof. Contaminants in sour gas stream 301 may include BTX, carbonyl sulfide (COS), carbon disulfide (CS 2 ), thiol (R-SH), water, and combinations thereof. BTX may include benzene, toluene, xylene, and combinations thereof. In at least one embodiment, first sour gas stream 301 contains hydrogen sulfide, carbon dioxide, BTX, COS, CS 2 , R-SH, water, and combinations thereof. The amount of hydrogen sulfide in the first sour gas stream 301 is 20 mol% to 55 mol%, alternatively 20 mol% to 50 mol%, and alternatively 20 mol% to 25 mol%. In at least one embodiment, the amount of hydrogen sulfide in the first sour gas stream 301 is 20 mol% to 25 mol%.

멤브레인 분리 유닛(310)은 황화수소-농축된 농축물 스트림(311) 및 이산화탄소-농축된 투과물 스트림(312)을 얻기 위해 압축된 사워 가스 스트림(309) 내의 이산화탄소로부터 황화수소를 분리할 수 있다. 멤브레인 분리 유닛(310)은 멤브레인을 갖는 멤브레인 모듈을 포함할 수 있다. 멤브레인 분리 유닛(310) 내의 멤브레인은 황화수소와 이산화탄소를 분리할 수 있는 임의의 유형의 멤브레인일 수 있다. 적어도 하나의 구체예에서, 멤브레인은 이산화탄소-선택적 멤브레인이다. 적어도 하나의 구체예에 따르면, 멤브레인은 퍼플루오르화된 중합체의 계열로부터 선택되는 중합체로 제조될 수 있다. 멤브레인 분리 유닛(310)이 단일 유닛을 사용하여 예시되지만, 분리 유닛은 다양한 배열에서의 다중 멤브레인 모듈 및 멤브레인 단계를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 구체예에 따르면, 멤브레인 분리 유닛은 도 2에 도시된 3개의 배열; 즉, 단일-패스 배열, 2-단계 투과물-연속 배열, 또는 2-단계 농축물-연속 배열 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 다른 적합한 배열 또한 고려할 것이다.Membrane separation unit 310 may separate hydrogen sulfide from carbon dioxide in compressed sour gas stream 309 to obtain a hydrogen sulfide-enriched concentrate stream 311 and a carbon dioxide-enriched permeate stream 312. Membrane separation unit 310 may include a membrane module having a membrane. The membrane within membrane separation unit 310 may be any type of membrane capable of separating hydrogen sulfide and carbon dioxide. In at least one embodiment, the membrane is a carbon dioxide-selective membrane. According to at least one embodiment, the membrane may be made of a polymer selected from the family of perfluorinated polymers. Although membrane separation unit 310 is illustrated using a single unit, the separation unit may include multiple membrane modules and membrane stages in various arrangements. According to at least one embodiment, the membrane separation unit has three arrangements as shown in Figure 2; That is, it may include any of a single-pass arrangement, a two-stage permeate-continuous arrangement, or a two-stage retentate-continuous arrangement. Those skilled in the art will also consider other suitable arrangements.

황화수소-농축된 농축물 스트림(311)은 황화수소 및 오염 물질을 함유할 수 있다. 황화수소-농축된 농축물 스트림(311) 내의 오염 물질은 BTX, COS, CS2, R-SH, 물 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 구체예에서, 황화수소-농축된 농축물 스트림(311) 내의 황화수소 농도는 80 mol% 내지 95 mol%; 예를 들어, 약 90 내지 95 mol%일 수 있다. 유리하게는, 이 범위 내의 황화수소 농도는 오염 물질을 파괴하는데 적합한 클라우스 유닛의 노에서의 온도 프로파일을 달성하기에 적합할 수 있다. 황화수소-풍부 농축물 스트림(311)은 황 회수 유닛(320)에 도입될 수 있다.Hydrogen sulfide-enriched concentrate stream 311 may contain hydrogen sulfide and contaminants. Contaminants in hydrogen sulfide-enriched concentrate stream 311 may include BTX, COS, CS 2 , R-SH, water, and combinations thereof. In at least one embodiment, the hydrogen sulfide concentration in hydrogen sulfide-enriched concentrate stream 311 is 80 mol% to 95 mol%; For example, it may be about 90 to 95 mol%. Advantageously, hydrogen sulfide concentrations within this range may be suitable to achieve a temperature profile in the furnace of a Claus unit suitable for destroying contaminants. Hydrogen sulfide-rich concentrate stream 311 may be introduced into sulfur recovery unit 320.

이산화탄소-농축된 투과물 스트림(312)은 이산화탄소, 불활성 가스 및 이들의 조합을 함유할 수 있다. 이산화탄소-농축된 투과물 스트림(312)은 아민 흡수 유닛(330)으로 도입될 수 있다.Carbon dioxide-enriched permeate stream 312 may contain carbon dioxide, inert gases, and combinations thereof. Carbon dioxide-enriched permeate stream 312 may be introduced into amine absorption unit 330.

황 회수 유닛(320)은 황화수소 및 다른 황-함유 오염 물질로부터 황을 회수할 수 있는 임의의 유형의 시스템일 수 있다. 적어도 하나의 구체예에서, 황 회수 유닛(320)은 클라우스 유닛일 수 있다. 황 회수 유닛(320)은 황 스트림(322) 및 테일 가스 스트림(321)을 생성할 수 있다. 황 스트림(322)은 액체 황을 함유할 수 있다. 일반적으로, 황 회수 유닛(320)은 유닛에 공급되는 가스가 적어도 20 vol%의 황화수소를 함유할 것을 요구한다. 적어도 하나의 구체예에 따르면, 황화수소-농축된 농축물 스트림(311)은 적어도 20 mol%의 황화수소, 바람직하게는 적어도 60 mol%의 황화수소, 보다 바람직하게는 적어도 80 mol%의 황화수소, 및 보다 더욱 바람직하게는 적어도 90 mol%의 황화수소를 함유한다. 적어도 하나의 구체예에 따르면, 황화수소-농축된 농축물 스트림(311)은 약 80 내지 95 mol%, 바람직하게는 약 85 내지 95 mol%의 황화수소, 보다 바람직하게는 약 90 내지 95 mol%의 황화수소를 함유한다.Sulfur recovery unit 320 may be any type of system capable of recovering sulfur from hydrogen sulfide and other sulfur-containing contaminants. In at least one embodiment, sulfur recovery unit 320 may be a Claus unit. Sulfur recovery unit 320 may produce a sulfur stream 322 and a tail gas stream 321. Sulfur stream 322 may contain liquid sulfur. Typically, the sulfur recovery unit 320 requires that the gas supplied to the unit contain at least 20 vol% hydrogen sulfide. According to at least one embodiment, the hydrogen sulfide-enriched concentrate stream 311 contains at least 20 mol% hydrogen sulfide, preferably at least 60 mol% hydrogen sulfide, more preferably at least 80 mol% hydrogen sulfide, and even more. Preferably it contains at least 90 mol% hydrogen sulfide. According to at least one embodiment, the hydrogen sulfide-enriched concentrate stream 311 contains about 80 to 95 mol % hydrogen sulfide, preferably about 85 to 95 mol % hydrogen sulfide, more preferably about 90 to 95 mol % hydrogen sulfide. Contains

클라우스 유닛은 일반적으로 사워 가스로부터 황을 회수하는데 사용된다. 일반적으로 이들은 비교적 낮은 압력(즉, 약 1 bar 게이지 미만)에서 작동하기 때문에, 기존 시스템의 클라우스 유닛은 종종 사워 가스를 처리하기 위한 보다 크고 비싼 장비를 요구한다. 그리고 사워 가스를 처리한 후에도, 약 1 내지 2 mol%의 원래 황은 테일 가스에 남아있을 수 있다. 현대적인 클라우스 유닛으로부터의 테일 가스는 대기로 안전하게 배출되도록 테일 가스로부터의 잔류 황을 제거하기 위한 추가적인 처리를 요구한다. 일반적인 테일 가스 처리 공정의 예는 쉘 오프-가스 처리 공정(SCOT)이다. 몇몇 구체예에 따르면, 상기 공정은 테일 가스 스트림(321)이 산화 외의 테일 가스 처리가 필요하지 않도록 상당량의 황을 함유하지 않도록 수행될 수 있다. 적어도 하나의 구체예에 따르면, 공정, 시스템, 또는 둘 모두는 테일 가스 처리 유닛 및 공정(단순 열 산화 제외)이 없다. 적어도 하나의 구체예에 따르면, 상기 공정은 아민 흡수를 포함하는 후속 테일 가스 처리 단계 없이 수행될 수 있다. 적어도 하나의 구체예에 따르면, 상기 시스템은 아민 흡수를 사용하는 테일 가스를 처리하도록 배열된 테일 가스 처리 유닛이 없을 수 있다.Claus units are commonly used to recover sulfur from sour gas. Because they generally operate at relatively low pressures (i.e. below about 1 bar gauge), Claus units in conventional systems often require larger and more expensive equipment to process sour gas. And even after treating the sour gas, about 1 to 2 mol% of the original sulfur may remain in the tail gas. Tail gases from modern Claus units require additional treatment to remove residual sulfur from the tail gases so that they can be safely discharged to the atmosphere. An example of a common tail gas treatment process is the shell off-gas treatment process (SCOT). According to some embodiments, the process may be performed such that the tail gas stream 321 does not contain significant amounts of sulfur such that tail gas treatment other than oxidation is not required. According to at least one embodiment, the process, system, or both are free of tail gas treatment units and processes (other than simple thermal oxidation). According to at least one embodiment, the process can be performed without a subsequent tail gas treatment step involving amine absorption. According to at least one embodiment, the system may be without a tail gas treatment unit arranged to treat the tail gas using amine absorption.

아민 흡수 유닛(330)은 아민 흡수를 사용하여 이산화탄소를 회수할 수 있는 임의의 시스템일 수 있다. 아민 흡수 유닛은 단일 컬럼으로 도시되지만, 아민 흡수 유닛(330)은 다양한 배열을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 다양한 정렬(arrangemet)의 일 이상의 흡수 컬럼, 일 이상의 스트리핑 컬럼, 다른 가스-액체 접촉 장비, 또는 이들의 조합을 사용하는 것을 고려할 것이다. 아민 흡수 유닛(330)은 처리된 이산화탄소 스트림(331) 및 회수된 황화수소 스트림(332)을 생성할 수 있다. 적어도 하나의 구체예에 따르면, 회수된 황화수소 스트림(332)은 약 10 mol% 내지 약 70 mol%, 바람직하게는 약 30 내지 70 mol%, 보다 바람직하게는 약 40 내지 70 mol%, 보다 더욱 바람직하게는 약 50 내지 70 mol% 범위인 황화수소 농도를 가질 수 있다. 처리된 이산화탄소 스트림(331)은 이산화탄소 격리를 위한 공정에 도입되거나 또는 향상된 오일 회수 공정에 사용될 수 있다. 유리하게는, 아민 흡수 유닛(330)의 업스트림의 멤브레인 분리 단계(310)를 갖는 것은 아민 흡수 유닛(330) 내 보다 작고, 덜 비싼 장비의 사용을 허용할 수 있다. 적어도 하나의 구체예에 따르면, 회수된 황화수소 스트림(332)의 적어도 일부는 블리드 스트림(333) 내 공정으로부터 제거될 수 있다.Amine absorption unit 330 may be any system capable of recovering carbon dioxide using amine absorption. Although the amine absorption unit is shown as a single column, it should be understood that the amine absorption unit 330 may include a variety of configurations. For example, one of ordinary skill in the art would consider using one or more absorption columns in various arrangements, one or more stripping columns, other gas-liquid contacting equipment, or combinations thereof. Amine absorption unit 330 may produce a treated carbon dioxide stream 331 and a recovered hydrogen sulfide stream 332. According to at least one embodiment, the recovered hydrogen sulfide stream 332 has about 10 mol% to about 70 mol%, preferably about 30 to 70 mol%, more preferably about 40 to 70 mol%, and even more preferably Typically, it may have a hydrogen sulfide concentration ranging from about 50 to 70 mol%. Treated carbon dioxide stream 331 may be introduced into a process for carbon dioxide sequestration or used in an enhanced oil recovery process. Advantageously, having a membrane separation step 310 upstream of the amine absorption unit 330 may allow the use of smaller, less expensive equipment within the amine absorption unit 330. According to at least one embodiment, at least a portion of the recovered hydrogen sulfide stream 332 may be removed from the process in a bleed stream 333.

도 3b 및 3c는 도 3b 및 3c가 멤브레인 분리 유닛(310) 후 도입되고 이산화탄소-농축된 투과물 스트림(312)과 조합되는 제2 사워 가스 스트림(302)을 포함하고; 및 도 3b는 제1 사워 가스 스트림(301)을 포함하지 않으며, 회수된 황화수소 스트림(332)은 임의의 다른 피드 스트림과 조합되지 않고 상기 공정 및 시스템을 통해 재순환된다. 적어도 하나의 구체예에 따르면, 상기 공정 및 시스템은 직접 제2 사워 가스 스트림(302)을 아민 흡수 유닛(330)에 직접 도입하는 단계를 포함할 수 있다.3B and 3C illustrate that FIGS. 3B and 3C include a second sour gas stream 302 introduced after the membrane separation unit 310 and combined with the carbon dioxide-enriched permeate stream 312; and FIG. 3B does not include the first sour gas stream 301, and the recovered hydrogen sulfide stream 332 is recycled through the process and system without being combined with any other feed streams. According to at least one embodiment, the process and system may include introducing the second sour gas stream 302 directly into the amine absorption unit 330.

가장 적합한 배열은 다양한 요인에 따라 달라질 것이나, 특히 사용 가능한 가스 스트림(들)의 조성에 따라 달라질 것이다. 사워 가스 스트림이 상당량의 질소(즉, 약 10 mol% 초과)를 포함하거나, 사워 가스가 약 20 mol% 미만의 황화수소를 함유하는 경우, 일반적으로 질소-함유 스트림을 아민 흡수 유닛에 도입하는 것이 유리하다. 예를 들어, 상당량의 질소를 함유하는 사워 가스가 멤브레인 분리 단계(310)으로 도입되는 경우, 질소는 농축물에 보유될 수 있고, 이는 다소 희석된 황화수소 및 농축물을 초래한다. 반면, 질소-함유 사워 가스를 아민 흡수 유닛에 도입하는 것은 질소가 처리된 이산화탄소 스트림(331)과 함께 제거되도록 한다. The most suitable arrangement will depend on a variety of factors, but especially the composition of the available gas stream(s). If the sour gas stream contains a significant amount of nitrogen (i.e., greater than about 10 mol%), or if the sour gas contains less than about 20 mol% hydrogen sulfide, it is generally advantageous to introduce the nitrogen-containing stream into the amine absorption unit. do. For example, if sour gas containing significant amounts of nitrogen is introduced into the membrane separation step 310, the nitrogen may be retained in the retentate, resulting in somewhat diluted hydrogen sulfide and retentate. On the other hand, introducing nitrogen-containing sour gas into the amine absorption unit causes nitrogen to be removed along with the treated carbon dioxide stream 331.

아민 흡수 공정은 또한 약 20 mol% 미만의 황화수소를 함유하는 사워 가스를 처리하기에 적합하다. 도 4는 공정에 대한 피드 가스 내의 황화수소 농도의 함수로서 선택적 아민 흡수 공정으로부터 회수된 황화수소-농축된 가스 내 황화수소 농도의 플롯을 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 아민 흡수 공정은 황화수소의 비교적 낮은 농도(즉, 약 20 mol% 미만)를 갖는 피드 가스를 처리하는데 가장 효과적이다. 또한, 아민 흡수 공정에서 용매로부터 용해된 황화수소를 스트리핑하는 작업 비용은 일반적으로 피드 가스 내의 황화수소의 양이 상대적으로 낮을 때보다 낮다.The amine absorption process is also suitable for treating sour gas containing less than about 20 mol% hydrogen sulfide. Figure 4 shows a plot of hydrogen sulfide concentration in hydrogen sulfide-enriched gas recovered from a selective amine absorption process as a function of hydrogen sulfide concentration in the feed gas to the process. As shown in Figure 4, the amine absorption process is most effective in treating feed gases with relatively low concentrations of hydrogen sulfide (i.e., less than about 20 mol%). Additionally, the operational cost of stripping dissolved hydrogen sulfide from the solvent in the amine absorption process is generally lower than when the amount of hydrogen sulfide in the feed gas is relatively low.

실시예Example

다음의 실시예는 본 개시의 구체예를 입증하기 위해 포함되며, 비-제한적인 것으로 간주되어야 한다. 특정 실시예는 본 개시의 실시에서 잘 기능하는 것으로 발견된 기술, 시스템, 조성 및 장치를 나타내며, 따라서 이의 실시를 위한 모드를 구성하는 것으로 간주될 수 있다. 변화는 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 실시예에서 개시되는 구체예에 대해 이루어질 수 있다.The following examples are included to demonstrate embodiments of the present disclosure and should be considered non-limiting. Certain embodiments represent techniques, systems, compositions, and devices that have been found to function well in the practice of the present disclosure and, therefore, can be considered to constitute modes for its practice. Changes may be made to the embodiments disclosed in the Examples without departing from the spirit and scope of the disclosure.

실시예 1: 멤브레인 분리 유닛 및 아민 흡수 유닛에 대한 피드를 갖는 2-단계 농축물-연속 배열Example 1: Two-stage retentate-continuous arrangement with feed to membrane separation unit and amine absorption unit

시뮬레이션은 멤브레인 분리 유닛에 공급되는 사워 가스를 갖는 2-단계 농축물-연속 멤브레인 단계 배열을 사용하여 수행되었다. 공정 및 시스템의 예시는 도 5에 나타난다. 도 5에 나타난 공정 및 시스템은 도 2c 및 도 3c에 예시된 것과 유사한 요소 및 특징을 포함한다. 도 5에서, 사워 천연가스 스트림(501)은 이산화탄소, 황화수소 및 천연 가스를 갖도록 제공된다. 사워 천연가스 스트림(501)은 또한 BTX, 카보닐 설파이드(COS), 이황화탄소(CS2), 티올, 물 등과 같은 오염 물질을 포함할 수 있다. 사워 천연가스 스트림(501)은 스위트닝된(sweetened) 천연가스 스트림(502) 및 사워 가스 스트림(503)을 얻기 위해 비선택적 산성 가스 제거 공정에 의해 천연가스 처리 유닛(510)에서 처리된다. 사워 가스 스트림(503)은 90 mol% 이산화탄소, 10 mol% 황화수소 및 무시 가능한 양의 오염 물질을 포함한다. 천연가스 처리 유닛(510)을 떠날 때의 사워 가스 스트림(503)의 조성은 통상적인 클라우스 유닛에서의 처리에 적합하지 않은데, 이는 스트림 내의 황화수소의 농도가 클라우스 공정의 열적 단계를 수행하기에 충분하지 않기 때문이다.Simulations were performed using a two-stage retentate-continuous membrane stage arrangement with sour gas fed to the membrane separation unit. An example of the process and system is shown in Figure 5. The process and system shown in Figure 5 includes similar elements and features to those illustrated in Figures 2C and 3C. In Figure 5, sour natural gas stream 501 is provided having carbon dioxide, hydrogen sulfide, and natural gas. Sour natural gas stream 501 may also contain contaminants such as BTX, carbonyl sulfide (COS), carbon disulfide (CS 2 ), thiols, water, and the like. Sour natural gas stream 501 is processed in natural gas processing unit 510 by a non-selective acid gas removal process to obtain sweetened natural gas stream 502 and sour gas stream 503. Sour gas stream 503 contains 90 mol% carbon dioxide, 10 mol% hydrogen sulfide, and negligible amounts of contaminants. The composition of the sour gas stream 503 as it leaves the natural gas processing unit 510 is not suitable for processing in a conventional Claus unit because the concentration of hydrogen sulfide in the stream is not sufficient to carry out the thermal steps of the Claus process. Because it doesn't.

사워 가스 스트림(503)은 황화수소를 함유하는 다른 스트림과 조합될 수 있다. 이 경우, 사워 가스 스트림(503)은 제2 멤브레인 단계 투과물 스트림(532) 및 회수된 황화수소 스트림(552)과 조합되며, 이후 압축된 혼합 스트림(506)을 얻기 위해 압축기를 사용하여 압축된다. 압축된 혼합 스트림은 제1 멤브레인 단계(520)에 도입되고, 여기서 제1 멤브레인 단계 농축물 스트림(521) 및 제1 멤브레인 단계 투과물 스트림(522)을 얻기 위해 분리된다. 제1 멤브레인 단계 농축물 스트림은 이후 제2 멤브레인 단계 농축물 스트림(531) 및 제2 멤브레인 단계 투과물 스트림(532)을 얻기 위해 제2 멤브레인 단계(530)에 도입된다.Sour gas stream 503 may be combined with other streams containing hydrogen sulfide. In this case, the sour gas stream 503 is combined with the second membrane stage permeate stream 532 and the recovered hydrogen sulfide stream 552 and then compressed using a compressor to obtain a compressed mixed stream 506. The compressed mixed stream is introduced into the first membrane stage (520) where it is separated to obtain a first membrane stage retentate stream (521) and a first membrane stage permeate stream (522). The first membrane stage retentate stream is then introduced into a second membrane stage 530 to obtain a second membrane stage retentate stream 531 and a second membrane stage permeate stream 532.

제1 및 제2 멤브레인 단계(520, 530)는 약 500 gpu 이산화탄소 투과도 및 약 10의 이산화탄소-황화수소 선택도를 갖는 이산화탄소-선택적 멤브레인을 갖는다. 제2 멤브레인 단계 농축물 스트림(531)의 황화수소 및 이산화탄소 농도는 각각 90 mol% 및 10 mol%이다(표 4). 이 스트림 내의 황화수소 농도는 클라우스 유닛에서의 처리에 적합하다. 제2 멤브레인 단계 농축물 스트림(531)은 이후 황 회수 유닛(540)에 도입되고, 여기서 황 스트림(542) 및 테일 가스 스트림(541)을 얻기 위해 클라우스 공정을 사용하여 처리된다. 실질적인 양의 이산화탄소가 제1 및 제2 멤브레인 단계(520, 530)에 의해 제거되기 때문에, 테일 가스 스트림(541)은 통상적인 공정으로부터의 유사한 테일 가스에 비해 상당히 감소된 유량을 갖는다. The first and second membrane stages 520, 530 have carbon dioxide-selective membranes with a carbon dioxide permeability of about 500 gpu and a carbon dioxide-hydrogen sulfide selectivity of about 10. The hydrogen sulfide and carbon dioxide concentrations of the second membrane stage retentate stream 531 are 90 mol% and 10 mol%, respectively (Table 4). The hydrogen sulphide concentration in this stream is suitable for treatment in the Claus unit. The second membrane stage retentate stream 531 is then introduced to a sulfur recovery unit 540 where it is processed using the Claus process to obtain a sulfur stream 542 and a tail gas stream 541. Because a substantial amount of carbon dioxide is removed by the first and second membrane stages 520, 530, tail gas stream 541 has a significantly reduced flow rate compared to a similar tail gas from a conventional process.

테일 가스 스트림(541)은 사워 가스 스트림(503) 또는 제1 멤브레인 단계 투과물 스트림(522)과 조합될 수 있다. 이 경우, 테일 가스 스트림(541)은 농축된 이산화탄소 스트림(551) 및 회수된 황화수소 스트림(552)을 얻기 위해 아민 흡수 공정을 사용하여 처리되는 선택적 아민 흡수 유닛(550)에 도입되기 전에 제1 멤브레인 단계 투과물 스트림(522)과 조합된다. 회수된 황화수소 스트림(552)은 공정 및 시스템을 통해 재순환될 수 있도록 사워 가스 스트림(503)과 조합된다.Tail gas stream 541 may be combined with sour gas stream 503 or first membrane stage permeate stream 522. In this case, the tail gas stream 541 is passed through the first membrane before being introduced into the selective amine absorption unit 550 where it is processed using an amine absorption process to obtain a concentrated carbon dioxide stream 551 and a recovered hydrogen sulfide stream 552. It is combined with stage permeate stream 522. The recovered hydrogen sulfide stream 552 is combined with the sour gas stream 503 so that it can be recycled through the process and system.

스트림 조성: 멤브레인 분리 유닛 및 선택적 아민 흡수 유닛에 공급되는 피드 가스를 갖는 2-단계 농축물-연속 멤브레인 단계 배열* Stream composition: two-stage retentate-continuous membrane stage arrangement with feed gas fed to membrane separation unit and selective amine absorption unit * 압력
(bar)b
enter
(bar) b
H2S
(mol%)
H2S
(mol%)
CO2
(mol%)
CO2
(mol%)
유량 (mmscfd)Flow rate (mmscfd)
사워 가스 스트림(503)Sour Gas Stream(503) 2.02.0 10.010.0 90.090.0 10.010.0 압축된 혼합 스트림(506)Compressed Mixed Stream (506) 15.015.0 11.611.6 88.488.4 17.017.0 제1 MS 농축물 스트림(521)First MS Concentrate Stream (521) 15.015.0 30.030.0 70.070.0 5.75.7 제1 MS 투과물 스트림(522)First MS permeate stream (522) 2.02.0 2.52.5 97.597.5 11.011.0 제2 MS 농축물 스트림(531)Second MS Concentrate Stream (531) 15.015.0 90.090.0 10.010.0 1.11.1 제2 MS 투과물 스트림(532)Second MS permeate stream (532) 2.02.0 85.085.0 15.015.0 4.54.5 테일 가스 스트림(541)Tail gas stream (541) 2.02.0 13.913.9 86.186.1 0.20.2 농축된 이산화탄소 스트림(551)Concentrated Carbon Dioxide Stream (551) 2.02.0 0.00.0 100100 9.09.0 회수된 황화수소 스트림(552)Recovered hydrogen sulfide stream (552) 2.02.0 12.112.1 87.987.9 2.62.6 MS, 멤브레인 단계
a 각각 제1 및 제2 멤브레인 단계(520 및 530)에서 940 및 720 m2 면적; 및 1590 kWe의 이론적 압축력을 갖는 멤브레인을 사용함
b 절대 압력
MS, membrane phase
a Areas of 940 and 720 m 2 in the first and second membrane stages 520 and 530, respectively; and using a membrane with a theoretical compressive force of 1590 kWe.
b absolute pressure

실시예 2: 멤브레인 분리 유닛 및 아민 흡수 유닛에 대한 피드를 갖는 2-단계 투과물-연속 배열Example 2: Two-stage permeate-continuous arrangement with feed to membrane separation unit and amine absorption unit

시뮬레이션은 도 6에 도시된 바와 같은 멤브레인 분리 유닛 및 아민 흡수 유닛에 공급되는 사워 가스를 갖는 2-단계 투과물-연속 멤브레인 단계 배열을 사용하여 수행되었다. 이 예에서, 공정 및 시스템은 도 2b 및 도 3c에 도시된 것과 유사한 요소 및 특징을 포함한다. 멤브레인 분리 유닛은 투과물-연속을 갖는 2 단계를 포함하였고, 사워 가스는 멤브레인 분리 유닛 및 아민 흡수 유닛에 도입되었다. 실시예 1과 유사하게, 실시예 1에 제공된 사워 천연가스 스트림(501)과 동일한 조성을 갖는 사워 천연가스 스트림(601)은 스위트닝된 천연가스 스트림(602) 및 사워 가스 스트림(603)을 얻기 위해 비선택적 산성 가스 제거 공정에 의해 천연가스 처리 유닛(610)에서 처리된다. 실시예 1에서와 같이, 사워 가스 스트림(603)은 90 mol% 이산화탄소, 10 mol% 황화수소, 및 무시 가능한 양의 오염 물질을 포함한다.Simulations were performed using a two-stage permeate-continuous membrane stage arrangement with sour gas fed to the membrane separation unit and amine absorption unit as shown in Figure 6. In this example, the process and system include elements and features similar to those shown in FIGS. 2B and 3C. The membrane separation unit comprised two stages with permeate-continuous, sour gas was introduced into the membrane separation unit and the amine absorption unit. Similar to Example 1, sour natural gas stream 601 having the same composition as sour natural gas stream 501 provided in Example 1 was processed to obtain sweetened natural gas stream 602 and sour gas stream 603. It is treated in the natural gas processing unit 610 by a non-selective acid gas removal process. As in Example 1, sour gas stream 603 contains 90 mol% carbon dioxide, 10 mol% hydrogen sulfide, and negligible amounts of contaminants.

사워 가스 스트림(603)은 다른 사워 가스 스트림과 조합될 수 있다. 이 경우, 이는 혼합 사워 가스 스트림(604)을 얻기 위해 선택적 흡수 유닛(650)으로부터 회수된 황화수소 스트림(652)과 조합된다. 혼합 사워 가스 스트림(604)은 15 bar로 압축되고 제1 멤브레인 단계 농축물 스트림(621) 및 제1 멤브레인 단계 투과물 스트림(622)을 얻기 위해 제1 멤브레인 분리 단계(620)에서 분리되는 압축된 혼합 스트림을 얻기 위해 제2 멤브레인 단계 농축물 스트림(631)과 조합된다. 제1 멤브레인 단계 농축물 스트림(621)은 황 스트림(642) 및 테일 가스 스트림(641)을 얻기 위해 황 회수 유닛(640)으로 보내진다. 여기서, 황 회수 유닛(640)은 클라우스 공정으로부터의 테일 가스를 처리하기 위한 전용 아민 흡수 유닛을 포함하지 않으며, 이는 장비 비용을 상당히 감소시킨다.Sour gas stream 603 may be combined with other sour gas streams. In this case, it is combined with the hydrogen sulfide stream 652 recovered from the selective absorption unit 650 to obtain a mixed sour gas stream 604. The mixed sour gas stream (604) is compressed to 15 bar and separated in a first membrane separation stage (620) to obtain a first membrane stage retentate stream (621) and a first membrane stage permeate stream (622). It is combined with the second membrane stage retentate stream 631 to obtain a mixed stream. The first membrane stage retentate stream 621 is sent to a sulfur recovery unit 640 to obtain a sulfur stream 642 and a tail gas stream 641. Here, sulfur recovery unit 640 does not include a dedicated amine absorption unit to treat tail gases from the Claus process, which significantly reduces equipment costs.

제1 멤브레인 단계 투과물 스트림(622)은 제2 멤브레인 단계 농축물 스트림(631) 및 제2 멤브레인 단계 투과물 스트림(632)을 얻기 위해 압축되고 제2 멤브레인 단계(630)에 보내진다. 제2 멤브레인 단계 투과물 스트림(632)은 테일 가스 스트림(641)과 조합되고 선택적 아민 흡수 유닛(650)에 보내진다.The first membrane stage permeate stream 622 is compressed and sent to the second membrane stage 630 to obtain a second membrane stage retentate stream 631 and a second membrane stage permeate stream 632. The second membrane stage permeate stream (632) is combined with the tail gas stream (641) and sent to a selective amine absorption unit (650).

스트림 조성: 멤브레인 분리 유닛 및 선택적 아민 흡수 유닛에 공급되는 사워 가스를 갖는 2-단계 투과물-연속 멤브레인 단계 배열a Stream composition: two-stage permeate with sour gas fed to membrane separation unit and selective amine absorption unit - continuous membrane stage arrangement a 압력 (bar)b Pressure (bar) b H2S
(mol%)
H2S
(mol%)
CO2
(mol%)
CO2
(mol%)
N2
(mol%)
N 2
(mol%)
유량 (mmscfd)Flow rate (mmscfd)
사워 가스 스트림(603)Sour Gas Stream(603) 2.02.0 10.010.0 90.090.0 0.00.0 10.010.0 압축된 혼합 스트림(609)Compressed Mixed Stream (609) 15.015.0 10.010.0 90.090.0 0.00.0 20.420.4 제1 MS 농축물 스트림(621)First MS Concentrate Stream (621) 15.015.0 90.090.0 10.010.0 0.00.0 1.11.1 제1 MS 투과물 스트림(622)First MS permeate stream (622) 2.02.0 5.275.27 94.794.7 0.00.0 19.219.2 제2 MS 농축물 스트림(631)Second MS Concentrate Stream (631) 15.015.0 10.010.0 90.090.0 0.00.0 9.39.3 제2 MS 투과물 스트림(632)Second MS permeate stream (632) 2.02.0 0.510.51 99.199.1 0.00.0 10.010.0 농축된 CO2 스트림(651)Concentrated CO 2 Stream (651) 2.02.0 0.010.01 82.782.7 17.317.3 11.011.0 회수된 H2S 스트림(652)Recovered H 2 S Stream (652) 2.02.0 9.79.7 90.390.3 0.00.0 1.11.1 MS, 멤브레인 단계
a 각각 제1 및 제2 멤브레인 단계(620 및 630)에서 1,907 및 723 m2 면적; 및 1720 kWe의 이론적 압축기 전력을 사용
b 절대 압력
MS, membrane phase
a Areas of 1,907 and 723 m 2 in the first and second membrane stages 620 and 630, respectively; and with a theoretical compressor power of 1720 kWe.
b absolute pressure

실시예 3: 멤브레인 분리를 갖는, 및 갖지 않는 황 회수 공정 비교Example 3: Comparison of sulfur recovery processes with and without membrane separation

정유소는 황 회수 유닛에서 직접 처리에 적합한 사워 가스를 생성하는 작업을 가질 수 있다. 몇몇 경우, 이러한 스트림에서의 황화수소의 농도는 약 90 mol% 초과일 수 있으며, 약 10 mol% 미만의 이산화탄소를 갖는다. 이러한 스트림은 황화수소를 농축하기 위한 처리 없이 황 회수 유닛에 직접 공급될 수 있다. 그러나, 재순환 스트림으로부터의 이산화탄소가 시스템에 축적되어 황 회수 유닛의 효율성을 감소시킬 수 있다. 이러한 시스템의 예는 도 7a에 도시된다. 도 7a에서, 사워 가스 스트림(703)은 90 mol% 황화수소 및 10 mol% 이산화탄소를 함유한다. 스트림은 또한 매우 적은 양의 오염 물질을 함유한다(즉, 약 0.01 mol% 미만). 도 7a에서, 사워 가스 스트림(703)은 황화수소-농축 스트림(742)와 조합되고 이후 황 스트림(722) 및 테일 가스 스트림(721)을 얻기 위해 공기 스트림(719)으로부터의 공기와 반응되는 클라우스 반응기(720)에 도입된다. 테일 가스 스트림(721)은 잔류 황 성분을 황화수소로 환원시키기 위해 수소 스트림(729)으로부터의 수소로 촉매 반응기(730)에서 처리된다. 오프-가스 스트림(731)은 약 1 내지 2 mol%의 황화수소를 함유하고; 이는 또한 사워 가스 스트림(703)으로부터의 이산화탄소 및 공기 스트림(719)으로부터의 질소 모두를 함유한다.A refinery may have operations that produce sour gas suitable for direct processing in a sulfur recovery unit. In some cases, the concentration of hydrogen sulfide in these streams may be greater than about 90 mol%, with less than about 10 mol% carbon dioxide. This stream can be fed directly to the sulfur recovery unit without treatment to concentrate the hydrogen sulphide. However, carbon dioxide from the recycle stream can build up in the system and reduce the effectiveness of the sulfur recovery unit. An example of such a system is shown in Figure 7A. In Figure 7A, sour gas stream 703 contains 90 mol% hydrogen sulfide and 10 mol% carbon dioxide. The stream also contains very low amounts of contaminants (i.e., less than about 0.01 mol%). 7A, a Claus reactor in which sour gas stream 703 is combined with hydrogen sulfide-enriched stream 742 and then reacted with air from air stream 719 to obtain sulfur stream 722 and tail gas stream 721. Introduced in (720). Tail gas stream 721 is treated in catalytic reactor 730 with hydrogen from hydrogen stream 729 to reduce residual sulfur components to hydrogen sulfide. Off-gas stream 731 contains about 1 to 2 mol% hydrogen sulfide; It also contains both carbon dioxide from the sour gas stream (703) and nitrogen from the air stream (719).

오프-가스 스트림(731)은 황화수소를 제거하기 위해 선택적 아민 흡수 유닛(740)에 보내진다. 선택적 아민 흡수 유닛(740)은 질소 및 이산화탄소를 함유하는 처리된 테일-가스 스트림(741) 및 황화수소 및 이산화탄소를 함유하는 황화수소-농축된 스트림(742)을 생성하고, 여기서 이산화탄소가 지배적인 성분이다. 황화수소-농축된 스트림(742)은 혼합 사워 가스 스트림(704) 내의 황화수소 농도가 75 mol% 미만이도록(표 6) 상당히 희석된다.Off-gas stream 731 is sent to selective amine absorption unit 740 to remove hydrogen sulfide. Selective amine absorption unit 740 produces a treated tail-gas stream 741 containing nitrogen and carbon dioxide and a hydrogen sulfide-enriched stream 742 containing hydrogen sulfide and carbon dioxide, where carbon dioxide is the dominant component. Hydrogen sulfide-enriched stream 742 is significantly diluted such that the hydrogen sulfide concentration in mixed sour gas stream 704 is less than 75 mol% (Table 6).

스트림 조성: 멤브레인 분리 유닛 없는 황 회수 공정Stream composition: Sulfur recovery process without membrane separation unit 압력 (bar)a Pressure (bar) a H2S
(mol%)
H2S
(mol%)
CO2
(mol%)
CO2
(mol%)
N2
(mol%)
N 2
(mol%)
유량 (mmscfd)Flow rate (mmscfd)
사워 가스 스트림(703)Sour Gas Stream(703) 2.02.0 90.090.0 10.010.0 0.00.0 10.010.0 H2S-농축된 스트림(742)H 2 S-concentrated stream (742) 2.02.0 10.710.7 89.389.3 0.00.0 2.62.6 혼합 사워 가스 스트림(704)Mixed Sour Gas Stream(704) 2.02.0 73.473.4 26.426.4 0.00.0 12.612.6 오프-가스 스트림(731)Off-gas stream (731) 2.02.0 1.21.2 14.314.3 84.584.5 23.023.0 처리된 테일-가스 스트림(741)Treated Tail-Gas Stream (741) 2.02.0 0.00.0 4.84.8 95.295.2 21.021.0 a 절대 압력 a absolute pressure

혼합 사워 가스 스트림(704) 내의 황화수소 농도는 도 7b에 도시된 배열을 사용하여 증가될 수 있다. 도 7b에 도시된 배열은 재순환 스트림을 압축하는 단계 및 이후 이산화탄소-선택적 멤브레인을 사용하여 황화수소-농축된 스트림을 분리하고 투과물 스트림(751) 및 농축물 스트림(752)을 얻기 위해 이를 멤브레인 분리 단계(750)에 공급하는 단계를 포함한다. 멤브레인 분리 단계(750)는 500 gpu의 이산화탄소 투과도 및 10의 이산화탄소-황화수소 선택도를 갖는 이산화탄소-선택적 멤브레인을 갖는다. 보다 큰 선택도를 갖는 멤브레인은 일반적으로 성분의 보다 나은 분리를 결과할 것으로 예상되나, 대개 투과성을 희생하며, 이는 보다 큰 면적이 요구되도록 한다.The hydrogen sulfide concentration in the mixed sour gas stream 704 can be increased using the arrangement shown in FIG. 7B. The arrangement shown in FIG. 7B involves compressing the recycle stream and then separating the hydrogen sulfide-enriched stream using a carbon dioxide-selective membrane and membrane separating it to obtain a permeate stream 751 and a retentate stream 752. It includes supplying to 750. Membrane separation stage 750 has a carbon dioxide-selective membrane with a carbon dioxide permeability of 500 gpu and a carbon dioxide-hydrogen sulfide selectivity of 10. Membranes with greater selectivity are generally expected to result in better separation of components, but often at the expense of permeability, which results in larger areas being required.

도 7b에 도시된 공정은 테일 가스 내의 이황화수소를 황화수소로 전환하는 단계 및 메틸 디에탄올아민(MDEA) 선택적 흡수를 사용하여 황화수소를 제거하는 단계를 포함하는 쉘 클라우스 오프-가스 처리(SCOT) 공정을 갖도록 배열된 클라우스 플렌트와 함께 사용될 수 있다. 그러나, 본 개시는 이러한 공정에 제한되지 않는다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 또한 유사한 결과를 얻기 위해 다른 가능한 배열 및 변경을 고려할 것이다. The process depicted in FIG. 7B is a Shell Claus off-gas treatment (SCOT) process that includes converting hydrogen disulfide in the tail gas to hydrogen sulfide and removing the hydrogen sulfide using methyl diethanolamine (MDEA) selective absorption. It can be used with a Claus plant arranged to have. However, the present disclosure is not limited to this process. Those skilled in the art will also consider other possible arrangements and modifications to achieve similar results.

농축물 스트림(752)은 도 7a에 도시된 배열보다 이 배열에서 보다 큰 황화수소 농도(즉, 50 mol%)를 갖는다. 농축물 스트림(752) 내의 이 증가된 황화수소 농도는 혼합된 사워 가스 스트림(704) 내의 보다 큰 황화수소 농도(즉, 87.9 mol%) 또한 초래한다(표 7).Concentrate stream 752 has a greater hydrogen sulfide concentration (i.e., 50 mol%) in this configuration than the configuration shown in Figure 7A. This increased hydrogen sulfide concentration in retentate stream 752 also results in a greater hydrogen sulfide concentration (i.e., 87.9 mol%) in mixed sour gas stream 704 (Table 7).

스트림 조성: 멤브레인 분리 유닛을 갖는 황 회수 공정a Stream composition: Sulfur recovery process a with membrane separation unit 압력 (bar)b Pressure (bar) b H2S
(mol%)
H2S
(mol%)
CO2
(mol%)
CO2
(mol%)
N2
(mol%)
N 2
(mol%)
유량 (mmscfd)Flow rate (mmscfd)
사워 가스 스트림(703)Sour Gas Stream(703) 2.02.0 90.090.0 10.0010.00 0.00.0 10.010.0 혼합 사워 가스 스트림(704)Mixed Sour Gas Stream(704) 2.02.0 87.987.9 12.112.1 0.00.0 10.610.6 오프-가스 스트림(731)Off-gas stream (731) 2.02.0 1.31.3 6.06.0 92.792.7 21.321.3 혼합 오프-가스 스트림(732)Mixed Off-Gas Stream(732) 2.02.0 1.551.55 14.214.2 84.284.2 23.423.4 처리된 테일-가스 스트림(741)Treated tail-gas stream (741) 2.02.0 0.00.0 95.295.2 4.84.8 20.720.7 H2S-농축된 스트림(742)H 2 S-concentrated stream (742) 15.015.0 13.313.3 86.786.7 0.00.0 2.72.7 투과물 스트림(751)Permeate Stream (751) 2.02.0 3.83.8 96.296.2 0.00.0 2.12.1 농축물 스트림(752)Concentrate Stream (752) 15.015.0 50.050.0 50.050.0 0.00.0 0.60.6 a 192 m2의 면적 및 255 kWe의 이론적 압축기 전력을 갖는 멤브레인을 사용
b 절대 압력
a Using a membrane with an area of 192 m 2 and a theoretical compressor power of 255 kWe
b absolute pressure

실시예 4: 2-단계 농축물-연속 멤브레인 분리 배열을 사용하는 저-농도 황화수소 피드Example 4: Low-Concentration Hydrogen Sulfide Feed Using a Two-Stage Concentrate-Continuous Membrane Separation Arrangement

테일 가스를 처리하기 위한 전용 아민 흡수 공정 없이 비교적 낮은 농도의 황화수소를 갖는 스트림을 처리하기 위한 공정이 이 실시예에서 제공된다. 상기 공정 및 시스템의 예시는 도 8에 제공된다(표 8). 도 8에서, 사워 가스 스트림(803)은 농축된 이산화탄소 스트림(821) 및 회수된 황화수소 스트림(822)을 얻기 위해 선택적 아민 흡수 유닛(820)에서 분리되는 혼합 사워 가스 스트림(805)을 얻기 위해 제1 멤브레인 단계 투과물 스트림(832) 및 테일 가스 스트림(851)과 조합된다.A process is provided in this embodiment for treating streams with relatively low concentrations of hydrogen sulfide without a dedicated amine absorption process to treat the tail gas. An example of the above process and system is provided in Figure 8 (Table 8). 8, sour gas stream 803 is prepared to obtain a mixed sour gas stream 805 that is separated in selective amine absorption unit 820 to obtain concentrated carbon dioxide stream 821 and recovered hydrogen sulfide stream 822. 1 combined with the membrane stage permeate stream (832) and tail gas stream (851).

회수된 황화수소 스트림(822)은 너무 희석되어 직접 황 회수 유닛(850)으로 보내질 수 없기 때문에, 이는 황 회수 공정을 위해 황화수소를 농축하기 위해 멤브레인 분리 유닛으로 보내진다. 회수된 황화수소 스트림(822)은 제2 멤브레인 단계 투과물 스트림(841)과 조합된다. 조합된 회수된 황화수소 스트림(822) 및 제2 멤브레인 단계 투과물 스트림(841)은 도 2c에 도시된 바와 같이 투과물-연속을 갖는 2개의 멤브레인 단계를 포함하는 멤브레인 분리 유닛에 도입된다. 제1 멤브레인 단계 농축물 스트림(831)은 제2 멤브레인 단계 농축물(842) 및 제2 멤브레인 단계 투과물(841)을 얻기 위해 제2 멤브레인 단계(840)에 보내진다. 제2 멤브레인 단계 투과물은 멤브레인 분리 유닛을 통해 재순환되고, 제2 멤브레인 단계 농축물은 황 회수 유닛(850)에 보내진다.Because the recovered hydrogen sulfide stream 822 is too diluted to be sent directly to the sulfur recovery unit 850, it is sent to a membrane separation unit to concentrate the hydrogen sulfide for the sulfur recovery process. The recovered hydrogen sulfide stream (822) is combined with the second membrane stage permeate stream (841). The combined recovered hydrogen sulfide stream 822 and the second membrane stage permeate stream 841 are introduced into a membrane separation unit comprising two membrane stages with permeate-continuity as shown in FIG. 2C. The first membrane stage retentate stream 831 is sent to a second membrane stage 840 to obtain a second membrane stage retentate 842 and a second membrane stage permeate 841. The second membrane stage permeate is recycled through the membrane separation unit and the second membrane stage retentate is sent to sulfur recovery unit 850.

황 회수 유닛(850)은 클라우스 유닛 및 촉매 반응기를 포함한다. 이는 클라우스 유닛 내의 황화수소의 농도가 전환에 충분하나 클라우스 유닛으로부터의 테일 가스를 처리하기 위한 전용 선택적 아민 흡수 유닛을 포함하지 않기 때문이다.Sulfur recovery unit 850 includes a Claus unit and a catalytic reactor. This is because the concentration of hydrogen sulfide in the Claus unit is sufficient for conversion but does not include a dedicated selective amine absorption unit to treat the tail gas from the Claus unit.

스트림 조성: 저-농도 황화수소를 갖는 2-단계 투과물-연속 멤브레인 단계 배열a Stream composition: two-stage permeate-continuous membrane stage arrangement with low-concentration hydrogen sulfide a 압력 (bar)b Pressure (bar) b H2S (mol%)H 2 S (mol%) CO2
(mol%)
CO2
(mol%)
N2
(mol%)
N 2
(mol%)
유량 (mmscfd)Flow rate (mmscfd)
사워 가스 스트림(803)Sour Gas Stream(803) 2.02.0 2.02.0 98.098.0 0.00.0 20.020.0 혼합 사워 가스 스트림(805)Mixed Sour Gas Stream(805) 2.02.0 2.52.5 94.294.2 3.23.2 24.524.5 회수된 H2S 스트림(822)Recovered H 2 S Stream (822) 20.020.0 15.215.2 84.884.8 0.00.0 4.14.1 제1 MS 투과물 스트림(832)First MS permeate stream (832) 2.02.0 5.65.6 94.494.4 0.00.0 3.63.6 제1 MS 농축물 스트림(831)First MS Concentrate Stream (831) 20.020.0 70.070.0 30.030.0 0.00.0 0.750.75 제2 MS 농축물 스트림(842)Second MS Concentrate Stream (842) 20.020.0 90.090.0 10.010.0 0.00.0 0.460.46 테일 가스 스트림(851)Tail gas stream (851) 2.02.0 1.91.9 5.45.4 91.591.5 0.860.86 MS, 멤브레인 단계
a 264 및 60 m2 면적 및 488 kWe의 이론적 압축기 전력을 갖는 멤브레인을 사용
b 절대 압력
MS, membrane phase
a Using membranes with an area of 264 and 60 m 2 and a theoretical compressor power of 488 kWe
b absolute pressure

실시예 6: 멤브레인 분리 유닛 및 아민 흡수 유닛에 대한 피드를 갖는 2-단계 투과물-연속 멤브레인 분리 배열Example 6: Two-stage permeate-continuous membrane separation arrangement with feed to membrane separation unit and amine absorption unit

멤브레인 분리 유닛 및 아민 흡수 유닛에 공급되는 사워 가스를 갖는 2-단계 투과물-연속 멤브레인 분리 배열을 포함하는 공정이 시뮬레이션되었다(표 9). 상기 공정 및 시스템은 도 9에 도시되며, 도 2b 및 도 3c에 도시된 것과 유사한 요소 및 특징을 포함한다. 도 9에서, 사워 가스는 압축되고 도 2b에 도시된 것과 유사한 2-단계 투과물-연속 배열을 갖는 멤브레인 분리 유닛에 도입된다. 사워 가스 스트림(903)은 약 20 mol%의 황화수소 농도를 가지며 질소를 함유하지 않기 때문에 멤브레인 분리 유닛에서의 처리에 적합하나, 황화수소의 농도는 비교적 낮기 때문에 덜 바람직하다. A process comprising a two-stage permeate-continuous membrane separation arrangement with sour gas fed to the membrane separation unit and the amine absorption unit was simulated (Table 9). The process and system are shown in Figure 9 and include similar elements and features as shown in Figures 2B and 3C. In Figure 9, sour gas is compressed and introduced into a membrane separation unit with a two-stage permeate-continuous arrangement similar to that shown in Figure 2b. Sour gas stream 903 has a hydrogen sulfide concentration of about 20 mol% and is nitrogen-free, making it suitable for processing in a membrane separation unit, but the hydrogen sulfide concentration is relatively low and thus less desirable.

제1 멤브레인 단계 농축물 스트림(921)은 클라우스 유닛(950)에 보내진다. 제2 멤브레인 단계 투과물 스트림(932)은 제2 아민 흡수 유닛(970)으로부터의 재순환 스트림(971)과 조합되고 제1 아민 유닛 피드 스트림(939)을 얻기 위해 압축된다. 제1 아민 유닛 피드 스트림(939)은 농축된 이산화탄소 스트림(941) 및 회수된 황화수소 스트림을 얻기 위해 제1 아민 유닛(940)에서 처리된다. 아민 유닛은 제1 아민 유닛 피드 스트림(939)을 처리하는데 사용되는데, 이는 상기 스트림이 멤브레인 분리 공정에서 문제가 되는 상당한 농도의 질소(33.3 mol%)를 함유하기 때문이다. 회수된 황화수소 스트림은 이후 클라우스 피드 스트림(949)을 얻기 위해 제1 멤브레인 단계 농축물 스트림(921)과 조합된다. The first membrane stage retentate stream (921) is sent to the Claus unit (950). The second membrane stage permeate stream (932) is combined with the recycle stream (971) from the second amine absorption unit (970) and compressed to obtain the first amine unit feed stream (939). First amine unit feed stream 939 is processed in first amine unit 940 to obtain a concentrated carbon dioxide stream 941 and a recovered hydrogen sulfide stream. The amine unit is used to treat the first amine unit feed stream 939 because this stream contains a significant concentration of nitrogen (33.3 mol%) which is problematic for membrane separation processes. The recovered hydrogen sulfide stream is then combined with the first membrane stage concentrate stream (921) to obtain a Claus feed stream (949).

클라우스 피드 스트림(949)은 황 스트림(952) 및 테일 가스 스트림(951)을 생성하기 위해 공기 스트림(948)을 갖는 클라우스 유닛(950)에 도입된다. 테일 가스 스트림(951)은 테일 가스 스트림에 존재하는 이산화황을 황화수소로 전환함으로써 오프-가스 스트림(961)을 생성하기 위해 수소 스트림(959)을 갖는 촉매 반응기(960)에 보내진다. 오프-가스 스트림(961)은 이후 제2 아민 흡수 유닛(970)으로 보내지며, 여기서 질소 스트림(972) 및 재순환 스트림(971)을 얻기 위해 처리된다. 재순환 스트림(971)은 비교적 낮은 농도의 황화수소(즉, 약 20 mol% 미만)를 갖기 때문에 제1 아민 유닛(940)에서의 처리에 적합하다.Claus feed stream 949 is introduced into Claus unit 950 with air stream 948 to produce sulfur stream 952 and tail gas stream 951. The tail gas stream 951 is sent to a catalytic reactor 960 with a hydrogen stream 959 to produce an off-gas stream 961 by converting the sulfur dioxide present in the tail gas stream to hydrogen sulfide. The off-gas stream (961) is then sent to a secondary amine absorption unit (970) where it is processed to obtain a nitrogen stream (972) and a recycle stream (971). Recycle stream 971 is suitable for processing in first amine unit 940 because it has a relatively low concentration of hydrogen sulfide (i.e., less than about 20 mol %).

스트림 조성: 저-농도 황화수소를 갖는 2-단계 투과물-연속 멤브레인 단계 배열a Stream composition: two-stage permeate-continuous membrane stage arrangement with low-concentration hydrogen sulfide a 압력 (bar)b Pressure (bar) b H2S (mol%)H 2 S (mol%) CO2
(mol%)
CO2
(mol%)
N2
(mol%)
N 2
(mol%)
O2
(mol%)
O 2
(mol%)
유량 (mmscfd)Flow rate (mmscfd)
사워 가스 스트림(903)Sour gas stream (903) 2.02.0 20.020.0 80.080.0 10.010.0 제1 MS 투과물 스트림(922)First MS permeate stream (922) 2.02.0 10.210.2 89.889.8 11.911.9 제1 MS 농축물 스트림(921)First MS Concentrate Stream (921) 20.020.0 60.060.0 40.040.0 2.92.9 제2 MS 투과물 스트림(932)Second MS permeate stream (932) 2.02.0 3.43.4 95.695.6 7.17.1 오프-가스 스트림(961)Off-gas stream (961) 2.02.0 1.51.5 28.828.8 66.166.1 3.63.6 7.27.2 제1 아민 유닛 피드 스트림(939)Primary amine unit feed stream (939) 20.020.0 2.42.4 62.462.4 33.333.3 1.81.8 14.214.2 회수된 H2S 스트림(942)Recovered H 2 S Stream (942) 2.02.0 28.128.1 71.971.9 1.21.2 클라우스 피드 스트림(949)Claus Feed Stream (949) 2.02.0 50.550.5 49.549.5 4.24.2 공기 스트림(948)Air Stream(948) 2.02.0 79.079.0 21.021.0 6.06.0 MS, 멤브레인 단계
a 810 및 390 m2 면적을 갖는 멤브레인을 사용
b 절대 압력
MS, membrane phase
a Using membranes with areas of 810 and 390 m 2
b absolute pressure

본 구체예가 상세하게 기재되었으나, 본 개시의 원리 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화, 대체 및 변경이 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 구체예의 범위는 다음의 청구 범위 및 이의 적절한 법적 균등물에 의해 결정되어야 한다.Although the present embodiments have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions, and alterations may be made without departing from the spirit and scope of the disclosure. Accordingly, the scope of the embodiments should be determined by the following claims and their appropriate legal equivalents.

단수형 "하나의(a, an)" 및 "상기(the)"는 문맥 상 명백히 달리 지시하지 않는 한 복수의 대상을 포함한다. The singular forms “a, an” and “the” include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.

"선택적" 또는 "선택적으로"는 이후에 설명된 사건 또는 상황이 발생할 수 있거나 발생하지 않을 수 있음을 의미한다. 설명은 사건 또는 상황이 발생하는 경우 및 발생하지 않는 경우를 포함한다. “Optional” or “optionally” means that the subsequently described event or circumstance may or may not occur. Descriptions include instances in which an event or situation occurs and instances in which it does not occur.

범위는 본원에서 약 하나의 특정 값으로부터 및/또는 약 또 다른 특정 값까지로 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 또 다른 구체예는 상기 범위 내의 모든 조합과 함께 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지임이 이해되어야 한다. Ranges may be expressed herein as from about one particular value and/or to about another particular value. It should be understood that when such ranges are expressed, further embodiments range from one specific value and/or to another specific value along with all combinations within the range.

본원 및 첨부된 청구 범위에 사용된 바와 같이, 단어 "포함하다(comprise)", "갖다(has)" 및 "포함하다(include)" 및 이들의 모든 문법적 변형은 각각 추가적인 요소 또는 단계를 배제하지 않는 개방적, 비-제한적 의미를 갖는 것으로 의도된다.As used herein and in the appended claims, the words “comprise,” “has,” and “include,” and all grammatical variations thereof, each do not exclude additional elements or steps. It is intended to have an open, non-restrictive meaning.

설명은 단지 특정 성분 또는 단계를 식별하고 이들을 동일 또는 유사한 용어에 의해 기재되는 다른 것과 구별하기 위해 서수("제1", "제2", "제3" 등)를 사용할 수 있다. 달리 명시적으로 제공되지 않는 한, 서수의 사용은 관계, 순서, 품질, 순위 또는 중요성을 나타내지 않으며; 수치적 한계를 정의하지도 않는다.Descriptions may use ordinal numbers (“first,” “second,” “third,” etc.) merely to identify specific components or steps and distinguish them from others described by the same or similar terms. Unless explicitly provided otherwise, the use of ordinal numbers does not indicate relationship, order, quality, rank, or significance; Nor does it define numerical limits.

Claims (22)

사워 가스(sour gas) 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정으로서, 상기 공정은:
사워 가스 스트림을 멤브레인을 포함하는 멤브레인 분리 유닛에 제공하는 단계, 여기서 상기 멤브레인은 이산화탄소-선택적 멤브레인이고, 상기 사워 가스 스트림은 황화수소 및 이산화탄소를 포함하며;
농축물(retentate) 스트림 및 투과물(permeate) 스트림을 얻기 위해 상기 멤브레인 분리 유닛에서 황화수소를 이산화탄소로부터 분리하는 단계, 여기서 상기 농축물 스트림은 황화수소를 포함하고 80 내지 95 mol%의 황화수소의 농도를 가지며, 여기서 상기 투과물 스트림은 이산화탄소를 포함하며;
상기 농축물 스트림을 황 회수 유닛에 도입하는 단계;
황 스트림 및 테일 가스 스트림을 생성하기 위해 상기 농축물 스트림을 황 회수 유닛에서 처리하는 단계, 여기서 황 스트림은 액체 황을 포함하며;
상기 투과물 스트림을 아민 흡수 유닛에 도입하는 단계; 및
농축된 이산화탄소 스트림을 생성하기 위해 상기 투과물 스트림을 아민 흡수 유닛에서 처리하는 단계를 포함하는, 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream, comprising:
providing a sour gas stream to a membrane separation unit comprising a membrane, wherein the membrane is a carbon dioxide-selective membrane and wherein the sour gas stream comprises hydrogen sulfide and carbon dioxide;
separating hydrogen sulfide from carbon dioxide in the membrane separation unit to obtain a retentate stream and a permeate stream, wherein the retentate stream comprises hydrogen sulfide and has a concentration of hydrogen sulfide of 80 to 95 mol%; , wherein the permeate stream comprises carbon dioxide;
introducing the concentrate stream into a sulfur recovery unit;
processing the concentrate stream in a sulfur recovery unit to produce a sulfur stream and a tail gas stream, wherein the sulfur stream comprises liquid sulfur;
introducing the permeate stream to an amine absorption unit; and
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream comprising treating the permeate stream in an amine absorption unit to produce a concentrated carbon dioxide stream.
삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 멤브레인은 적어도 10의 이산화탄소-황화수소 선택도 및 적어도 500 가스 투과 유닛(gpu)의 투과도(permeance)를 갖는, 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 1,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream, wherein the membrane has a carbon dioxide-hydrogen sulfide selectivity of at least 10 and a permeance of at least 500 gas permeation units (gpu).
청구항 1에 있어서,
상기 멤브레인 분리 유닛은 퍼플루오로 중합체로부터 제조된 멤브레인을 포함하는, 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 1,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream, wherein the membrane separation unit comprises a membrane made from a perfluoropolymer.
청구항 1에 있어서,
상기 멤브레인 분리 유닛은 농축물-연속 배열(retentate-in-series configuration)의 2개의 멤브레인 단계를 포함하는, 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 1,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream, wherein the membrane separation unit comprises two membrane stages in a retentate-in-series configuration.
청구항 1에 있어서,
상기 멤브레인 분리 유닛은 투과물-연속 배열(permeate-in-series configuration)의 2개의 멤브레인 단계를 포함하는, 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 1,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream, wherein the membrane separation unit comprises two membrane stages in a permeate-in-series configuration.
사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정으로서, 상기 공정은:
사워 가스 스트림을 선택적 아민 흡수 유닛에 제공하는 단계, 상기 사워 가스 스트림은 황화수소 및 이산화탄소를 포함하고;
농축된 이산화탄소 스트림 및 농축된 황화수소 스트림을 생성하기 위해 선택적 아민 흡수 유닛에서 황화수소를 이산화탄소로부터 분리하는 단계, 여기서 상기 농축된 이산화탄소 스트림은 이산화탄소를 포함하고;
상기 농축된 황화수소 스트림을 멤브레인 분리 유닛에 도입하는 단계, 여기서 상기 농축된 황화수소 스트림은 황화수소 및 이산화탄소를 포함하며;
농축물 스트림 및 투과물 스트림을 생성하기 위해 상기 멤브레인 분리 유닛에서 황화수소를 농축된 황화수소 스트림의 이산화탄소로부터 분리하는 단계, 여기서 상기 농축물 스트림 내의 황화수소의 농도는 80 내지 95 mol%이고, 상기 멤브레인 분리 유닛은 멤브레인을 포함하며, 여기서 상기 멤브레인은 이산화탄소-선택적 멤브레인이고;
상기 농축물 스트림을 황 회수 유닛에 도입하는 단계, 여기서 상기 농축물 스트림은 황화수소를 포함하며; 및
황 스트림 및 테일 가스 스트림을 생성하기 위해 황 회수 유닛에서 농축물 스트림을 처리하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 황 스트림은 액체 황을 포함하는, 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream, said process comprising:
providing a sour gas stream to a selective amine absorption unit, the sour gas stream comprising hydrogen sulfide and carbon dioxide;
separating hydrogen sulfide from carbon dioxide in a selective amine absorption unit to produce a concentrated carbon dioxide stream and a concentrated hydrogen sulfide stream, wherein the enriched carbon dioxide stream comprises carbon dioxide;
introducing the concentrated hydrogen sulfide stream into a membrane separation unit, wherein the concentrated hydrogen sulfide stream comprises hydrogen sulfide and carbon dioxide;
separating hydrogen sulfide from carbon dioxide in the concentrated hydrogen sulfide stream in the membrane separation unit to produce a retentate stream and a permeate stream, wherein the concentration of hydrogen sulfide in the retentate stream is 80 to 95 mol%, and the membrane separation unit comprises a membrane, wherein the membrane is a carbon dioxide-selective membrane;
introducing the concentrate stream into a sulfur recovery unit, wherein the concentrate stream comprises hydrogen sulfide; and
Processing the concentrate stream in a sulfur recovery unit to produce a sulfur stream and a tail gas stream, wherein the sulfur stream comprises liquid sulfur.
삭제delete 삭제delete 청구항 8에 있어서,
상기 멤브레인은 적어도 10의 이산화탄소-황화수소 선택도 및 적어도 500 gpu의 투과도를 갖는, 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 8,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream, wherein the membrane has a carbon dioxide-hydrogen sulfide selectivity of at least 10 and a permeability of at least 500 gpu.
청구항 8에 있어서,
상기 멤브레인 분리 유닛은 퍼플루오로 중합체로부터 제조된 멤브레인을 포함하는, 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 8,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream, wherein the membrane separation unit comprises a membrane made from a perfluoropolymer.
청구항 8에 있어서,
상기 테일 가스 스트림은 선택적 아민 흡수 유닛으로 재순환되는, 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 8,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream, wherein the tail gas stream is recycled to a selective amine absorption unit.
청구항 8에 있어서,
상기 멤브레인 분리 유닛은 농축물-연속 배열의 2개의 멤브레인 단계를 포함하는, 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 8,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream, wherein the membrane separation unit comprises two membrane stages in a retentate-continuous arrangement.
청구항 8에 있어서,
상기 멤브레인 분리 유닛은 투과물-연속 배열의 2개의 멤브레인 단계를 포함하는, 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 8,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from a sour gas stream, wherein the membrane separation unit comprises two membrane stages in a permeate-continuous arrangement.
10 mol% 초과의 이산화탄소 및 황화수소 농도와 10 mol% 미만의 질소 농도를 갖는 제1 사워 가스 스트림 및 20 mol% 미만의 이산화탄소 및 황화수소 농도 또는 10 mol% 초과의 질소 농도를 갖는 제2 사워 가스 스트림의 두 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정으로서, 상기 공정은:
제1 사워 가스 스트림을 멤브레인 분리 유닛에 도입하고 농축물 스트림 및 투과물 스트림을 얻기 위해 제1 사워 가스 스트림을 분리하는 단계, 상기 농축물 스트림은 황화수소를 포함하고 투과물 스트림은 이산화탄소를 포함하며, 여기서 상기 멤브레인 분리 유닛은 멤브레인을 포함하고, 상기 멤브레인은 이산화탄소-선택적 멤브레인이며;
상기 투과물 스트림 및 제2 사워 가스 스트림을 선택적 아민 흡수 유닛에 도입하고 회수된 황화수소 스트림 및 농축된 이산화탄소 스트림을 얻기 위해 아민 흡수 공정을 사용하는 단계, 상기 회수된 황화수소 스트림은 황화수소를 포함하고 농축된 이산화탄소 스트림은 이산화탄소를 포함하며;
상기 회수된 황화수소 스트림을 멤브레인 분리 유닛으로 재순환하는 단계; 및
상기 농축물 스트림을 황 회수 유닛에 도입하는 단계 및 황을 포함하는 황 스트림을 얻기 위해 상기 농축물 스트림을 클라우스(Claus) 공정을 사용하여 처리하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 황 회수 유닛에 도입되는 농축물 스트림은 80 내지 95 mol%의 황화수소를 포함하는, 두 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
a first sour gas stream having a carbon dioxide and hydrogen sulfide concentration greater than 10 mol% and a nitrogen concentration less than 10 mol% and a second sour gas stream having a carbon dioxide and hydrogen sulfide concentration less than 20 mol% or a nitrogen concentration greater than 10 mol%. A process for recovering sulfur and carbon dioxide from two sour gas streams, said process comprising:
introducing the first sour gas stream into a membrane separation unit and separating the first sour gas stream to obtain a retentate stream and a permeate stream, the retentate stream comprising hydrogen sulfide and the permeate stream comprising carbon dioxide; wherein the membrane separation unit comprises a membrane, wherein the membrane is a carbon dioxide-selective membrane;
Introducing the permeate stream and the second sour gas stream to a selective amine absorption unit and using the amine absorption process to obtain a recovered hydrogen sulfide stream and a concentrated carbon dioxide stream, the recovered hydrogen sulfide stream comprising hydrogen sulfide and a concentrated carbon dioxide stream. The carbon dioxide stream includes carbon dioxide;
recycling the recovered hydrogen sulfide stream to a membrane separation unit; and
introducing the concentrate stream into a sulfur recovery unit and processing the concentrate stream using a Claus process to obtain a sulfur stream comprising sulfur, wherein the concentrate stream is introduced into the sulfur recovery unit. A process for recovering sulfur and carbon dioxide from two sour gas streams, wherein the concentrate stream contains 80 to 95 mol% hydrogen sulfide.
삭제delete 청구항 16에 있어서,
상기 멤브레인 분리 유닛은 농축물-연속 배열의 2개의 멤브레인 단계를 포함하는, 두 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 16,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from two sour gas streams, wherein the membrane separation unit comprises two membrane stages in a retentate-continuous arrangement.
청구항 16에 있어서,
상기 멤브레인 분리 유닛은 투과물-연속 배열의 2개의 멤브레인 단계를 포함하는, 두 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 16,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from two sour gas streams, wherein the membrane separation unit comprises two membrane stages in a permeate-continuous arrangement.
청구항 16에 있어서,
상기 멤브레인 분리 유닛은 퍼플루오로 중합체로 제조된 멤브레인을 포함하는, 두 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 16,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from two sour gas streams, wherein the membrane separation unit comprises a membrane made of a perfluoropolymer.
청구항 16에 있어서,
상기 멤브레인은 적어도 10의 이산화탄소-황화수소 선택도 및 적어도 500 gpu의 투과도를 갖는, 두 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 16,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from two sour gas streams, wherein the membrane has a carbon dioxide-hydrogen sulfide selectivity of at least 10 and a permeability of at least 500 gpu.
청구항 16에 있어서,
상기 제2 사워 가스 스트림은 5 내지 50 mol%의 질소를 포함하는, 두 사워 가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정.
In claim 16,
A process for recovering sulfur and carbon dioxide from two sour gas streams, wherein the second sour gas stream contains 5 to 50 mol% nitrogen.
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